Настав ранок 23 вересня 1648 р. На полі бою біля таборів Б. Хмельницького і М. Кривоноса вишикувалися у бойові порядки козацька піхота й татарська кіннота. Побачивши ворога, у польському таборі засурмили тривогу, але, як повідомляють джерела, на цей сигнал ніхто не звернув уваги, оскільки з самого початку перебування тут війська його дуже часто подавали без вагомих причин. Польська кіннота почала повільно і неорганізовано виходити з табору і шикуватися у бойовий порядок. Не діждавшись завершення шикування, хоругви з передової сторожі розпочали самостійно бій з татарською кіннотою.

Оскільки рубіж атаки для польської кінноти був невигідний (заважали глибокі балки) і дув зустрічний вітер, польське командування вирішило зачекати наближення козаків і татар туди, де була більш-менш рівнинна місцевість. Але розв'язаний сторожовими хоругвами бій примусив польське командування надаватиїм допомогу окремими загонами. Фактично ці підрозділи посилались на загибель. Тому польські хоругви стали відмовлятись від участі у цьому двобої.

У той час, коли козаки почали наступ на греблю, польське командування вирішило замінити втомлену від перебування в окопі перед греблею протягом двох ночей і дня королівську гвардію (піхоту) та кінні хоругви, що її прикривали, свіжими хоругвами драгунів та кінноти. Цей факт свідчить, що польські командири не дбали своєчасно про боєздатність підрозділів, які перебували на бойовому чергуванні, і, розуміючи, що знесилені, вони не спроможні вести повноцінний бій, почали заміняти їх у ході битви. Це була тактична помилка, яка стала кульмінацією битви.

Як тільки перші хоругви драгунів і кінноти, які повинні були замінити підрозділи прикриття, подола­ли греблю, хтось з командирів наказав їм повернутись назад. Розвернувшись, вони рушили по вузькій греблі назустріч тим, хто йшов за ними. Козаки й татари цей рух сприйняли як відступ і навально атакували греблю. Кіннота й драгуни змішалися, почалася паніка, вузька гребля не вміщала утікаючих, і вони тонули в ставку. Козацька піхота бердишами знищувала коней під польськими вершниками і добивала останніх на греблі або топила у воді. За кіннотою і драгунами стала тікати й польська піхота. Козаки оволоділи греблею, їх полки перейшли на лівий берег і почали шикуватись у бойові порядки.

У цей час татарська кіннота вийшла на фланги і в тил противника. Через паніку, що охопила польськевійсько, майже половина його складу зникла з поля бою. Щоб уникнути повного розгрому, польське командування відкликало з поля бою всі хоругви і розпорядилось підготуватись до відступу табором. Планувалось зупинитись під Старокостянтиновом і обладнати там укріплений табір.

Оскільки день уже закінчувався і для подальших бойових дій необхідно було з'ясувати поведінку ворога, Б. Хмельницький наказав своєму війську виставити сторожу і повернутися до табору.

Настала ніч. У польському таборі все більше зростали тривога й страх, деякі хоругви почали таємно тікати. Рада комісарів винесла рішення відступати кіннотою. Почалася панічна втеча війська. Обозні, слуги та піхотинці були кинуті шляхтою в таборі. Як свідчать польські джерела, втікачам марилося, що за ними женуться татари. Осліплені жахом, вони, щоб врятуватись, скидали з коней та зіштовхували у воду один одного на переправі через Случ. Від надмірного перевантаження проломився міст через Случ біля Старокостянтинова, де значна частина воїнів загинула у воді.

Вранці 26 вересня частина втікачів була вже у Львові (270 км), а дехто тікав аж до Варшави. У перших їх рядах було керівництво армії та відомі у державі шляхтичі: Д. Заславський, М. Остророг, О. Конєцпольський, Я. Вишневецький, А. Кисіль та ін. У щоденнику невідомого польського шляхтича, учасника цих подій, повідомляється:

"Переправляючись протягом усієї ночі мимо Костянтинова, я.м.п. воєвода сандомирський (Д.Заславський. -1.С) опинився в Вишнівці, а з Вишнівця -у Львові, а я.м.п. хорунжий (О. Конєцпольський. - І.С.) - у Бродах, я.м.п. коронний підчаший (М. Остророг. - І.С.) - в Олеську, а інші - де хто зміг, там і сховався".

Розрахунки свідчать, що втікачі рухались з максимально можливою швидкістю для вершника - 12 км на годину. Отже, через дві години після початку втечі перші втікачі долали Росоловецьку переправу. Ніч була темна, безмісячна (місяць сходив і заходив у світлий період доби). Сонце сходи­ло о 7 годині 45 хвилин, тобто світанок починався біля шостої години ранку. Як повідомляє у своїй "Реляції..." Д. Заславський, "...військо обминуло Костянтинів... темної ночі...". Таким чином, поляки подолали Случ до шостої години ранку, а тікати з табору від Пилявців почали не пізніше третьої години ночі.

Якраз у цей час особиста охорона розбудила Б. Хмельницького, а штаб доповів про незрозумілий рух польської кінноти. Оголосили бойову тривогу.За годину козацька піхота і татарська кіннота двох таборів вишикувалися у бойовий порядок. Ось як про цю подію сповіщає "Реляція про розгром польського війська під Пилявцями", складена учасником битви:

"Козаки й татари, побачивши цю втечу, подумали, що то наші (поляки. -І.С.) здійснюють якийсь стратегічний маневр або ж відводять військо, щоб пізніше побити їх на здобичі, і протягом двох годин утримувались від атаки. Але, побачивши, що хоругви далеко відходять і безладно розпадаються, з криком увірвались до табору. Там вони захопили все майно, піддаючи насильству тих, хто боронився. Тих, хто тікав, вони не переслідували, тому людські втрати невеликі. Проте втрат у спорядженні та майні нам завдано більш як на сім мільйонів, а ганьби - на тисячу мільйонів...".

Є підстави вважати, що Б. Хмельницький не тільки з'ясував протягом двох годин (з чотирьох до шести ранку) обстановку, а й чекав світанку, бо розпочинати бойові дії в таборі, розташованому на складній місцевості і до того ж у темряві, було недоцільно. Керуючись тією ж обережністю, він утримався від переслідування польської кінноти. А коли розвиднілось, переслідувати її було вже пізно.

На світанку 24 вересня польський табір був повністю розгромлений. Загинули майже вся піхота (біля восьми тисяч) і значна частина обозних та слуг. У ході битви переможці здобули багаті трофеї, серед яких 80 гармат і десятки тисяч гаківниць, клейноди всіх рівнів, величезна кількість іншої вогнепальної зброї і пороху, золоті, срібні та інші коштовності, які набрала шляхта, немов йшла не на війну, а на прогулянку.

Отже, українська армія знову одержала блискучу перемогу над армією Речі Посполитої.

Як і в попередніх битвах, у підготовці і проведенні Пилявецької битви виявився високий рівень українського воєнного мистецтва і його подальший розвиток у порівнянні з Жовтоводською та Корсунською битвами. Так, у Пилявецькій битві вперше чітко визначилася концепція виснажування (вимотування) ворога, яку Б. Хмельницький обрав провідним напрямком боротьби проти Речі Посполитої. Для реалізації даної концепції він застосував маневрову стратегію впливу на основні комунікації ворога в обраному районі воєнних дій. З цією метою був створений авангард української армії у складі чотирьох козацьких полків (16 тис.чоловік) на чолі з М. Кривоносом, який за три тижні до виходу головних сил у район бойових дій забезпечив навколо нього контроль над комунікаціями на значній території ворога. Це, за визначенням польської сторони, поставило армію Речі Посполитої,яка підійшла до Старокостянтинова, а потім Пилявців, в умови ізоляції. Якщо врахувати при цьому, що для боротьби проти польського війська широко залучались місцеві селяни та міщани, то на випадок затяжних бойових дій перспектива їх наслідків для ворога була катастрофічною. Згідно з обраною концепцією головною метою бою стає розгром завчасно виснаженого та деморалізованого ворога. Тобто бій (або битва) стає одним з етапів ведення виснажування (вимотування) ворога. Пилявецька битва є блискучим взірцем такої битви, де перемога була забезпечена за рахунок повної деморалізації ворога.

Головним чинником, який сприяв деморалізації польського війська у цій битві, було поєднання козацької піхоти з татарською кіннотою. Цим кроком було ліквідовано перевагу польського війська у кінноті, на яку дуже розраховувала шляхта, плануючи завдати поразки українській армії до приходу татар. У вже згадуваному щоденнику учасника Пилявецької битви є такий запис:

"Все наше врятування було в тому, щоб швидко воювати проти ворога, не чекаючи поєднання (з ним) татар, про яких ми мали попередження...".

Оскільки українська армія мала значну тактичну перевагу в піхоті, то з приходом татар співвідношення сил різко змінилося на її користь. Цю перевагу польське військо відчуло під час перших же українсько-татарських атак, які швидко завершились звільненням греблі і виходом підрозділів української армії на фланги і в тил противника.

Поєднання козацької піхоти з татарською кіннотою було настільки небезпечним для польського війська, що навіть на полі бою були спроби перешко­дити їх спільним діям. Так, у своєму листі від 23 вересня 1648 р. А. Кисіль пише, що на раді, яка відбулася на полі битви під Пилявцями, він пропонував один з рятівних заходів:

"...атакувати орду з тим, щоб відкинути її від козаків".

Таким чином, поєднання української піхоти з татарською кіннотою було смертним вироком для кінного польського війська. Цю ситуацію В. Маєвський назвав "кризою польського військового мистецтва у 1648-1649рр." .

Виникає закономірне питання: чи досить було вищенаведених чинників, щоб без тями тікати з поля бою? Безумовно, ні! Отже, маємо всі підстави стверджувати, що ще до приходу татар польське військо відчувало тривогу і невпевненість, що було викликано наступним:

1. Всіх польських воїнів тривожило невдале розташування їх війська у районі Пилявців на місцевості, не придатній ні для обладнання укріпленого табору, ні для використання кінноти. Особливо значна психологічна напруга створювалася очікуванням можливого нападу козаків на неукріплений табір вночі.

2. Командування польського війська і його досвідчені воїни розуміли, що український табір добре укріплений і штурм його був неможливий через відсутність у польському війську необхідної для цього кількості піхоти. Крім того, лівому флангу польського війська загрожував М. Кривоніс, який розташувався нижче по течії Ікви на цьому ж (лівому) березі.

3. Більшість польських воїнів зрозуміла, що їх ошукано, що Б. Хмельницький навмисне удавав втечу з Росоловецької переправи, Старокостянтинова та із шляху, що веде до Пилявців, щоб заманити їх сюди, у район зі складним рельєфом місцевості, де неможливо було організувати ні оборону, ні наступ.

4. У польському війську були відсутні: планбойових дій, єдиноначальність, виконавча дисципліна, керівництво військом, обладнанням табору та дотримання елементарних вимог військового порядку. У вже згадуваному щоденнику учасника Пилявецької битви повідомляється:

5. "В таборі ніякої дисципліни, ніякого авторитету вождів. Вночі після паролю стріляли, кричали, і ніхто за це не отримував догани, бо однаковий страх охоплював усіх, так що не було абсолютно ніякого порядку" .

Отже, існував сприятливий психологічний грунт для виникнення паніки у польському війську при введені в бій татарської кінноти. При цьому дуже важливо, що для більшості польських хоругв поява татарської кінноти на полі бою була несподіванкою. Польське командування, зокрема Д. Заславський, маючи ще серед ночі інформацію від розвідки про прихід до українського табору татар, не повідомило про це своє військо і психологічно його не підготувало до бою з татарською кіннотою.

Пилявецька битва продемонструвала, що в окремих випадках психологічний фактор може бути визначальним при проведенні битви. Б. Хмельницький, знаючи про моральну ситуацію у війську противника, вжив цілий ряд заходів, щоб викликати в ньому психологічну кризу. Морально-психологічна поразка, яку завдав гетьман польському командуванню у битвах на Жовтих Водах, під Корсунем (М. Потоцький ухилявся від битви), а також під Пилявцями, говорить про те, що він був талановитим психологом, а це невід'ємна риса геніального полководця.

Пилявецька битва (подібно до Корсунської) ще раз показала, що рельєф місцевості у районі бойових дій може не тільки обмежити бойові можливості окремих родів війська чи бойових порядків, таких, наприклад, як кіннота або табір з возів, а й сприяти їх повному розгрому. Б. Хмельницький зробив усе можливе, щоб польське військо розташувалось на місцевості, де його бойові можливості були зведені до мінімуму.

Проведена реставрація Пилявецької битви свідчить, що поразка польського війська не була випадковою, бо оперативно-тактична перевага з ранку 23 вересня 1648 р. була на боці української армії. Оточення й розгром польського війська були неминучими. Отже, перспективи перемогти під Пилявцями польське військо не мало. У нього залишався єдиний шлях - відступити табором, але польське командування обрало інший - ганебну втечу. Пилявецька битва була логічним продовженням двох попередніх переможних битв і посіла почесне місце в лавровому вінку звитяг Б. Хмельницького.

Після завершення Пилявецької битви Б. Хмельницький головними силами української армії блокував Львів (26.09-13.10), а також Замостя (07-24.11). Зупинившись біля цього міста, він розгорнув активні дипломатичні зносини з Угорщиною, Молдавією та Росією з метою створення антипольської коаліції держав на підтримку України. Одночасно Б. Хмельницький розпочав переговори з польським урядом про встановлення перемир'я.

Характер бойових дій (маневрове блокування комунікацій на значній території ворога) дає підстави вважати, що метою цього походу було прагнення Б. Хмельницького максимально використати результати Пилявецької битви на даних переговорах, а також заохотити сусідні держави до союзу з Україною. Оскільки Польща не була готова до війни, новообраний король Ян Казимир погодився розглянути вимоги Б. Хмельницького. До Варшави український гетьман відправив посольство на чолі з І. Гирею.

Від Замостя Б. Хмельницький 24 листопада 1648 р. рушив до Наддніпрянщини.

Переможний хід кампанії 1648 р. на користь Визвольної війни викристалізував територію полково-сотенного державного устрою козацької України, західний кордон якої Б. Хмельницкий однобічно встановив по р. р. Горинь, Случ та Мурафа.