Właściwa bitwa rozegrana została następnego dnia, gdy Sobieski uderzył na Turków zmęczonych pogodą i bezsennością. Polski wódz wykorzystał fakt, że była mroźna pogoda, a Turcy nie byli do takiego klimatu przystosowani i przygotowani.
Po całonocnym markowaniu ataku przez oblegających, w śnieżnej zadymce, przy silnym wietrze i morderczym dla Turków zimnie, o brzasku 11 listopada Sobieski osobiście poprowadził swe wojska do szturmu na obóz turecki. Po salwie armatniej piechota i spieszeni dragoni wdarli się na wały, spychając nieprzyjaciela i wyrównując teren dla kawalerii. Po czym przez wyłomy w wałach i szańcach runęła husaria pod przywództwem hetmana Jabłonowskiego. Turcy odpowiedzieli kontratakiem kawalerii spahisów, lecz ci nie wytrzymali brawurowej szarży husarii i wkrótce walki rozgorzały wewnątrz twierdzy i obozu tureckiego, wśród gęstwy namiotów. Wobec paniki, jaka opanowała oddziały tureckie, Husejn Pasza zarządził ewakuację na drugi brzeg Dniestru. Lecz jedyny w Chocimiu most został uszkodzony ogniem polskiej artylerii i załamał się pod ciężarem uciekających. Tylko kilku tysiącom Turków spośród całej, 35-tysięcznej armii udało się przedostać do Kamieńca Podolskiego.