Пока это все упиралось, толпилось и разворачивалось, не понимая, что происходит, Девлет I вынужден был бросить на помощь своим сыновьям, командовавшим арьергардом, весь свой резерв в 12 тысяч крымских всадников.

После этого произошло то, на что надеялся Воротынский. Узнав о разгроме арьергарда и опасаясь за свой тыл, Девлет Гирей развернул войско. К этому времени уже был развернут гуляй-город вблизи Молодей в удобном месте, расположенном на холме и прикрытом рекой Рожаей. Отряд Хворостинина оказался один на один со всей крымской армией, но, правильно оценив обстановку, молодой воевода не растерялся и мнимым отступлением заманил противника к гуляй-городу.

В той же Записи Разрядной книги о «береговой службе» и отражении нашествия крымских татар в 1572 году говорится: «И царь крымской послал нагайских и крымских татар двенадцать тысяч. И царевичи с татары передовой государев полк мчали до большого полку до гуляя города, а как пробежали гуляй город вправо, и в те поры боярин князь Михаиле Иванович Воротынской со товарищи велели стрелять по татарским полкам изо всего наряду. И на том бою многих тотар побили».

В гуляй-городе находился большой полк под командованием самого Воротынского, а также подоспевшие казаки атамана Черкашенина. Началась затяжная битва, к которой крымское войско было не очень морально готово. В одной из безуспешных атак на гуляй-город был убит Теребердей-мурза.

После ряда небольших стычек 31 июля Девлет Гирей начал решающий штурм гуляй-города, но он был отбит. Его войско понесло большие потери, в том числе был взят в плен крупный военачальник и правая рука крымского хана Дивей-мурза. Это случилось 1 августа. На штурм повел татар сам Дивей-мурза: «Яз обоз руской возьму: и как ужаснутца и здрогнут, и мы их побием». Проведя несколько неудачных приступов и тщетно пытаясь ворваться в гуляй-город – «прилазил на обоз многажды, чтоб как разорвать», – Дивей-мурза с небольшой свитой поехал на рекогносцировку, чтобы выявить наиболее слабые места русской передвижной крепости. Русские сделали вылазку: под Дивеем, начавшим уходить, споткнулся конь и упал, и второй человек после хана в татарском войске был взят в плен суздальцем Иваном Шибаевым, сыном Алалыкиным – «аргамак под ним споткнулся, и он не усидел. И тут ево взяли ис аргамаков нарядна в доспехе. Татарский напуск стал слабее прежнего, а русские люди поохрабрилися и, вылазя, билися и на том бою татар многих побили». Штурм прекратился. В этот день русские войска захватили много пленных. Среди них оказался татарский царевич Ширинбак. На вопрос о дальнейших планах крымского хана он ответил: «Я де хотя царевич, а думы царевы не ведаю; дума де царева ныне вся у вас: взяли вы Дивея-мурзу, тот был всему промышленник». Дивей, сказавшийся простым воином, был опознан. Генрих Штаден позднее писал: «Мы захватили в плен главного военчальника крымского царя Дивей-мурзу и Хаз-булата. Но никто не знал их языка. Мы думали, что это был какой-нибудь мелкий мурза. На другой день в плен был взят татарин, бывший слуга Дивей-мурзы. Его спросили – как долго простоит крымский царь? Татарин отвечал: «Что же вы спрашиваете об этом меня! Спросите моего господина Дивей-мурзу, которого вы вчера захватили». Тогда было приказано всем привести своих полонянников. Татарин указал на Дивея-мурзу и сказал: «Вот он – Дивей-мурза!» Когда спросили Дивей-мурзу: «Ты ли Дивей-мурза?», тот отвечал: «Нет, я мурза невеликий!» И вскоре Дивей-мурза дерзко и нахально сказал князю Михаилу Воротынскому и всем воеводам: «Эх, вы, мужичье! Как вы, жалкие, осмелились тягаться с вашим господином, с крымским царем!» Они отвечали: «Ты сам в плену, а еще грозишься». На это Дивей-мурза возразил: «Если бы крымский царь был взят в полон вместо меня, я освободил бы его, а вас, мужиков, всех согнал бы полонянниками в Крым!» Воеводы спросили: «Как бы ты это сделал?» И здесь Дивей-мурза из-за своего гонора, темперамента и обиды за то, что он, такой мудрый и толковый воевода, даже на фоне турецких офицеров бывший мозгом армии, так глупо попал в плен, не выдержал и отвечал: «Я выморил бы вас голодом в вашем гуляй-городе в 5–6 дней». Ибо он хорошо знал, что русские били и ели своих лошадей, на которых они должны выезжать против врага. Действительно, защитники гуляй-города все это время почти не имели ни воды, ни провианта. На следующий день атаки прекратились, но положение осажденных было критическим: в укреплении находилось огромное число раненых, кончалась вода, русские ели лошадей, которые должны были передвигать гуляй-город. (Из мемуаров Г. Штадена.)

Но своим ответом он только подтвердил русскую думку-задумку Михаила Воротынского и Дмитрия Хворостинина: дерзкий обходной момент. И крымский главный воевода это же подсказал, выдав свой анализ и критическое положение русского войска. А другого такого умника, который мог бы разгадать русский контрвыпад, у хана больше не было.

2 августа Девлет Гирей возобновил штурм гуляй-города, пытаясь отбить Дивей-мурзу: «Многие полки пеших и конных к гуляю-городу выбивати Дивея мурзу». В тяжелой борьбе погибли до 2 тысяч русских, как пехотинцев, защищавших подножие холма у Рожайки, так и русской конницы, оборонявшей фланги. Но приступ был отбит – крымская конница не смогла взять укрепленную позицию. В бою был убит ногайский хан, погибли трое мурз.

И тогда крымский хан принял неожиданное решение – он приказал коннице спешиться и атаковать гуляй-город в пешем строю совместно с янычарами. Лезущие вверх крымцы и османцы устилали холм трупами, а хан бросал все новые силы. Подступив к дощатым стенам гуляй-города, нападавшие рубили их саблями, расшатывали руками, силясь перелезть или повалить, «и тут много татар побили и руки поотсекли бесчисленно много».

Уже под вечер, воспользовавшись тем, что враг сосредоточился на одной стороне холма и увлекся атаками, Воротынский предпринял смелый маневр. Дождавшись, когда главные силы крымцев и янычар втянутся в кровавую схватку за гуляй-город, он незаметно вывел большой полк из укрепления, провел его лощиной и ударил в тыл крымцам. Одновременно, сопровождаемые мощными залпами пушек, из-за стен гуляй-города сделали вылазку и воины Хворостинина. Не выдержав двойного удара, крымцы и турки побежали, бросая оружие, обозы и имущество. Татарское войско подверглось полному разгрому, по сведениям источников, в рубке погибли сын, внук и зять Девлета Гирея, большинство татарских и ногайских мурз, а также все семь тысяч янычар. Русские захватили много татарских знамен, шатры, обоз, артиллерию и даже личное оружие хана. Весь последующий день остатки татар гнали до Оки, дважды сбивая и уничтожая арьергарды Девлета Гирея, который привел назад в Крым только каждого пятого воина из числа участвовавших в походе. Андрей Курбский писал, что после Молодинской битвы ходившие с татарами в поход «турки все исчезоша и не возвратился, глаголют, ни един в Констянтинополь». 6 августа о Молодинской победе узнал и Иван Грозный. К нему в Новгород 9 августа был доставлен Дивей-мурза.

Множество высших крымских сановников попало в плен.

«…Августа в 2 день в вечеру оставил крымской царь для отводу в болоте крымских тотар три тысечи резвых людей… а сам царь тое ночи побежал и Оку реку перелез тое же ночи. И воеводы на утрее узнали, что царь крымской побежал и на тех остальных тотар пришли всеми людьми и тех тотар пробили до Оки реки. Да на Оке же реке крымской царь оставил для обереганья тотар две тысячи человек. И тех тотар побили человек с тысечю, а иные многие тотаровя перетонули, а иныя ушли за Оку».