Для удара по Лбищенску, пишет историк Сергей Балмасов, были выделены 2-я кавалерийская дивизия полковника Тимофея Сладкова и Поздняковский пехотный полк, сформированный из крестьян Саратовской и Самарской губерний. Группу возглавил опытный генерал Николай Бородин. Группа насчитывала около 1200 человек, девять пулеметов и два орудия. Казаки стремились действовать максимально бесшумно, они даже обмотали мешковиной копыта лошадей, в колонне было запрещено курить. Чтобы избежать обнаружения с воздуха, дневки казаки устраивали в глубоких впадинах, которые охранялись хорошо замаскированными дозорами. Безрезультатные поиски аэропланов и спокойная в целом обстановка на коммуникациях укрепили уверенность Чапаева в отсутствии крупных сил противника вблизи Лбищенска. Начдив и его окружение приуменьшили масштаб угрозы со стороны противника и недооценили возможность внезапного удара казачьей конницы. Чапаев не создал серьезных резервов, способных отразить неожиданный удар противника. Отчасти причина была в напряженных боях, которые вела дивизия, начдиву было сложно вывести один-два полка с передовой: стрелковые и кавалерийские части существенно поредели в сражениях. Можно предположить также, что Чапаев после успешных кампаний против казаков обрел излишнюю уверенность в собственной непобедимости и неуязвимости. Эта самонадеянность вместе с нарушением фундаментальных принципов военного искусства (необходимость иметь резерв и серьезное прикрытие штаба при маневренных действиях в отсутствии сплошного фронта) дорого стоили и ему лично, и Красной армии. Недостаточное прикрытие штаба, слабая разведка и низкая бдительность дозорных стали главными причинами серьезного поражения 25-й дивизии и всей группы. Слабо прикрыта была и посадочная площадка, где находились авиаотряды, охрана аэродрома была малочисленной, дежурного летчика не было, а бóльшая часть личного состава находилась в Лбищенске.

В ночь на 5 сентября 1919 года казаки и солдаты Поздняковского полка бесшумно сняли часовых, вырезали посты на окраинах и проникли в центр станицы. Уточнив расположение красных и отрезав аэродром от летчиков и мотористов (взлетевшие аэропланы могли нанести большой урон отходившей коннице), белые открыли огонь и подняли панику среди бойцов и командиров тыловых подразделений.

Реальный бой в станице разительно отличался от картины, описанной Фурмановым и перекочевавшей в киноленту. Как вспоминали оставшиеся в живых белые участники того боя, Петра Исаева захватили в плен ранним утром, поэтому он никак не мог пойти на выручку начальнику дивизии. Не было и конной атаки на штаб дивизии — одной из ярких сцен заключительной части легендарного кинофильма.

Разрозненные группы красных, разбуженные выстрелами, пытались сопротивляться и наладить взаимодействие. Вооруженные лишь винтовками и несколькими пулеметами бойцы инструкторской школы и тыловых подразделений стремились найти командиров, но, как правило, легко обезвреживались казаками. Первые часы боя казаки вообще не брали пленных и только затем стали выводить их в резерв.

По данным белых, они уничтожили около 1500 красноармейцев и командиров, взяли в плен около восьмисот человек, потеряв убитыми и ранеными менее 120 человек. Такое соотношение потерь выглядит сомнительным, даже учитывая внезапность нападения и слабость боевой подготовки большей части гарнизона Лбищенска. Тем не менее штаб и тыловые подразделения 25-й дивизии были разгромлены, занявшим поселок белым достались значительные трофеи: аэропланы, боеприпасы и обмундирование. Вскоре, пишет Сергей Балмасов, в Лбищенск вошли красные курсанты и карательный «отряд особого назначения», печально «прославившиеся» при расказачивании, а также обозы и тыловые части 25-й дивизии. От неожиданной встречи с казаками они растерялись, не успели оказать существенного сопротивления и практически сразу были захвачены в плен. Курсанты и «отряд особого назначения» были почти полностью изрублены шашками.

Тактическая цель рейда была выполнена: красное командование, опасаясь новых ударов вырвавшихся вперед передовых бригад и окружения, начало отводить войска к Уральску. Однако казаки, увлеченные дележом и учетом трофеев, не сумели надежно блокировать местность и предотвратить просачивание небольших групп и отдельных красноармейцев и командиров к главным силам дивизии, которые, пусть и с опозданием, оповестили соратников Чапаева, а затем и вышестоящие штабы о тяжелом поражении и возможной гибели Чапаева.

Участь многих красноармейцев и командиров, оказавшихся 5 сентября в Лбищенске, была трагичной. Разъяренные казаки дали волю стремлению отомстить. Назначенного вместо Фурманова нового комиссара дивизии Павла Батурина, пытавшегося укрыться в одном из домов и выданного хозяйкой, казаки буквально изрубили на куски, стремясь доставить жертве наибольшие мучения. Пытки и мучительная смерть ждали и многих других политработников. Офицеры, особенно в разгар боя, не могли (а может быть, и не хотели) сдерживать солдат и казаков. После боя пленных водили по улицам. Если жители указывали на кого-нибудь как на грабителя или насильника, жертву на месте рубили шашками. Едва приглушенная жестокость войны между чапаевцами и казаками полыхнула пламенем бессмысленной и беспощадной мести.

Оказавшийся в Лбищенске вскоре после разгрома штаба 25-й дивизии офицер Уральской армии Борис Киров вспоминал: «Когда мы обыскивали двор, мы увидели, что из одного окна выскочил человек и скоростью, которую может придать только смертельный страх, пустился бежать вдоль улицы к Уралу. Конечно, его сейчас же поймали, это был красный. Допрашивать его было некогда, его просто вывели на зады двора, приказали снять хорошее обмундирование и расстреляли». Оставшихся в живых ждала незавидная участь: после избиения и издевательств их заставляли снимать новое обмундирование и «переодевали» в казачьи обноски.

Но захватить в плен Чапаева казакам не удалось. Бывший казачий офицер Павел Фадеев в воспоминаниях «Бои на Уральском фронте» писал, что пленение Чапаева было поручено взводу 1-й сотни 1-го полка под командованием подхорунжего Белоножкина, с которым шел красноармеец-перебежчик, вызвавшийся стать проводником. Взводу было приказано быстро выдвинуться к месту квартирования Чапаева, не ввязываясь в бой. Однако дом, где жил Чапаев, не был полностью оцеплен. Стоявший рядом с домом Белоножкин увидел лошадь, которую держал за повод неизвестный, скрывавшийся в доме. Когда хорунжий выстрелил, лошадь испуганно дернулась и вытащила своего коновода из дома. Казаки бросились на него и не заметили, как из дома с другой стороны выскочил «чисто одетый» человек. Белоножкин не смог немедленно броситься на убегавшего, которого сразу приняли за Чапаева, а затем нагнать отстреливавшегося начдива.

Чапаеву удалось уйти от преследователей и собрать небольшую группу бойцов, которая некоторое время отражала атаки белых, но казаки подтянули орудия, которые подавили пулеметный огонь чапаевцев и заставили их вместе с раненым командиром отступить к берегу Урала. Что происходило с Чапаевым и его немногочисленными соратниками дальше, сейчас установить вряд ли возможно. Кинематографический вариант с прикрывавшим начдива Петькой не соответствует действительности.

Версии других бойцов и командиров 25-й дивизии и ее штаба, а также мирных жителей и участников боя со стороны белых противоречивы. Одни утверждают, что Чапаев действительно погиб от пуль врага, переплывая (возможно, в сопровождении нескольких красноармейцев) Урал. По рассказам избежавших плена командиров чапаевской дивизии, некоторые казаки хвастались, что лично уничтожили легендарного начдива, но не могли это подтвердить, хотя даже за мертвого Чапаева была обещана награда.