Османский лагерь, разбитый к западу от города в форме полумесяца, был, по сути, городом из ткани, с двадцатью пятью тысячами шатров и пятьюдесятью тысячами телег с провиантом и снаряжением. В центре лагеря царил Черный Мустафа, руководя осадой и решая государственные дела из скопища шатров, которые могли поспорить своим великолепием с самыми памятными павильонами Сулеймана. Для отражения турецких армий и спасения своей столицы император Леопольд полагался главным образом на союзников в Европе — курфюрстов Баварии и Саксонии, но больше всего на короля Польши Яна Собеского. Но он обратился к ним за помощью, только когда угроза Вене стала неминуемой, и эта помощь собиралась медленно. Вместе с тем Кара Мустафа проявил медлительность и не помешал этому процессу, что вполне мог бы сделать, незамедлительно предприняв генеральный штурм города превосходящими силами. Представляется, что его подвела жадность. Если бы город пал в результате штурма, все трофеи попали бы в руки занявшихся грабежами солдат. Если бы город капитулировал, вся военная добыча была бы его, как представителя султана.

Как только осада началась, стало ясно, что защитники в сравнении с осаждающими имеют преимущество в артиллерии, как по количеству, так и по качеству орудий. Кара Мустафа не имел тяжелой артиллерии, повторяя таким образом оплошность Сулеймана, который не смог транспортировать ее так далеко. Он использовал только орудия малого и среднего калибра, достаточно эффективные против врага в открытом поле, но непригодные против прочных крепостных стен. Более того, основная часть его боеприпасов, изготовленных в Буде, была низкого качества, и снаряды часто не взрывались. Рассматривая артиллерию как вспомогательный род войск, турки предпочли полагаться на минирование, в чем они значительно преуспели во время осады других городов, особенно в Кандии.

Кара Мустафа первым делом окружил большую часть города и прилегающих окрестностей, блокировав ее от сил противника на длинном отрезке вдоль Дуная. Затем он начал, используя труд пленных христиан, создавать сеть траншей, приближающихся к стенам и их бастионам, чтобы заминировать их в различных местах. Однако каменная кладка стен была прочной, а защитники — мужественными. Они не отсиживались в обороне, а предпринимали энергичные вы лазки и всегда проявляли удивительную быстроту в восстановлении поврежденных укреплений. Турки с саблями часто были неэффективными в атаках против германцев с алебардами, боевыми косами и боевыми топорами. Но их мины пробивали бреши в стенах. 4 сентября, после большого взрыва, турки вытеснили людей Штаремберга из равелина, а затем потоком хлынули через широкий пролом в Бург, призывая на помощь Аллаха, размахивая знаменами и грозно потрясая оружием. После двухчасовой схватки с тяжелыми потерями с обеих сторон они были отброшены. Тем не менее положение защитников становилось критическим.

Но в этот момент пришло известие, что идущая на выручку армия поляков наконец совсем близко. Продвижение короля Собеского, начавшееся из Варшавы с задержкой в Кракове, было таким же медленным, как и атака Мустафы. По пути он не встретил значительного сопротивления. Вскоре Собеский уже форсировал Дунай по мосту из лодок, чтобы соединиться с главными силами австрийской армии герцога Лоррейнского и контингентами из Баварии и Саксонии. После военного совета они совершили трехдневный переход — вновь беспрепятственно — по трудным лесным дорогам вверх, к вершине Каленберга, возвышающейся над Веной, которая, к их удивлению, не была занята. Отсюда Собеский смотрел вниз на осажденный город, уцелевшие стены которого, окруженные лабиринтом минных траншей, прерывались кое-где грудами битого камня; и на лагерь своего врага, по-прежнему раскинувшийся на открытом месте у города без каких-либо оборонительных сооружений или концентрации войск. Изучив обстановку, польский король с уверенностью сказал: «Этот человек плохо расположил свой лагерь. Он ничего не понимает в войне, мы наверняка разгромим его».

Кара Мустафа, нацеленный на осаду, действительно не спланировал заранее оборону собственных сил, ведущих осаду города, от армий, идущих на выручку осажденным. Османский лагерь турок не был укреплен и по большей части не был прикрыт ни сторожевыми постами на вершинах холмов, ни кавалерийскими разъездами на равнине. Более того, даже теперь, когда прибытие армии поддержки стало очевидным, Мустафа не предпринял никаких срочных мер к переброске части своих войск для отражения ее атаки. Он пренебрег возможностью не допустить переправу австрийских или польских войск через Дунай — такая операция требовала отправки хорошо вооруженного отряда под его собственным командованием, но Мустафа поручил ее крымскому хану, впоследствии обвинив его, как козла отпущения, в неспособности противостоять врагу. Также Мустафа даже не попытался остановить продвижение противника по крутым скалистым склонам Каленберга либо опередить его, заняв вершину горы. Только когда гребень и склоны Каленберга осветились вспышками огней вражеских ракет и лагерных костров, Кара Мустафа понял, что безнадежно опоздал. Все, что он теперь мог сделать, — это направить отряд к подножию горной гряды и ждать, когда Собеский начнет наступление по склонам вниз.

Оно началось перед рассветом 12 сентября. Дисциплинированные христиане спускались вниз в образцовом боевом порядке и в строгой очередности, но показались туркам «потоком смолы, который тек вниз по склонам, пожирая все, к чему прикасался». Кара Мустафа был уверен, что отряда кавалерии будет достаточно, чтобы отбить наступление. Только тогда, когда крымский хан потребовал использовать янычар, он выделил отряд, оставив основные силы в траншеях перед городом. Теперь уже не было времени, чтобы переправить необходимое количество артиллерии.

Последовавшая за этим битва, в которой турецкие войска оказались между двух огней — хорошо вооруженным гарнизоном и деблокирующей группой, длилась весь день. Сначала она приняла форму сумбурных стычек среди скал и ущелий склонов. Затем внизу, на равнине, после жестокой схватки между турецкой и польской кавалерией, с участием немцев, Собеский повел свои лучшие войска прямо на турецкий центр и в лагерь, где выделялся шатер великого визиря. При виде христианского завоевателя собственной персоной татарский хан воскликнул: «Клянусь Аллахом! Король действительно среди нас!» — и со своими людьми пустился наутек. Огромная масса османской армии смяла ряды и в панике обратилась в бегство, оставив на поле боя десять тысяч убитых.

Янычары, засевшие в траншеях перед городом, не атаковавшие, но и не отступившие, были наголову разбиты, оказавшись между защитниками города, находившимися перед ними, и победоносными поляками у них в тылу. В общей панике османский лагерь был брошен со всей его артиллерией, сотней тысяч голов рогатого скота и такими трофеями, как украшенное драгоценными камнями оружие и кушаки, богатые ковры, дорогие ткани и меха. Все это стало вознаграждением Собескому и его армии. Но, к своему немалому разочарованию, они обнаружили лишь немного монет и слитков серебра и золота — турки успели вовремя унести их с собой. Среди трофеев были и диковины, включая только что обезглавленную самку страуса; попугая, который упорно не желал даваться в руки; других птиц в золотых клетках; а главное — большие запасы кофе, что привело к созданию первого венского кафе.