Уже в июне польская армия находилась в боевой готовности на своих южных границах. Причиной тому были набеги на польскую территорию, совершаемые Тёкёли из Трансильвании, а также наступление османской армии из Буды. Когда в середине июля, то есть в самом начале осады Вены, первый отчаянный призыв о помощи достиг Собеского, он без особой спешки переехал со своим двором из Варшавы в Краков. Но когда ему стали известны детали успешного продвижения осады, он приложил все силы, чтобы мобилизовать армию, необходимую для того, чтобы этому противостоять. Поражение грозило дальнейшими военными действиями Османской империи против Речи Посполитой, но для Собеского оно означало провал его собственных амбиций. 15 августа его армия выступила из Кракова, и к концу месяца он был Холбруне, расположенном к северо-востоку от Вены. Там же находился и зять императора, Карл Лоррейнский, который был командующим маленькой армии Габсбургов, совершавшей набеги на коммуникации османской армии. Баварцы, находившиеся юго-западее Вены, и протестанты-саксонцы, находившиеся северо-западнее, также направили свои войска, однако с другими потенциальными союзниками, такими как Бранденбург, не было достигнуто никакого соглашения.
Осада продолжалась уже два месяца, но ни одной из сторон не удалось достичь решающего преимущества, хотя положение защитников было отчаянным. Высланные на помощь армии медленно двигались в направлении переправы через Дунай в районе Туллина и, переправившись, сосредоточились на южном берегу с тем, чтобы, пройдя маршем через Венский лес, подойти к городу с запада. Предположив, что гористая и покрытая густым лесом местность станет препятствием даже для полных решимости войск, командование османской армией решило не создавать эффективной обороны подходов к городу с этого направления. Но если они не могли не придавать значения наступавшей шестидесятитысячной армии, то не могли они и снять осаду после стольких недель усилий и после того, как в воздухе уже запахло победой. Собеский потратил три дня на то, чтобы привести в порядок свои войска: австрийцы стояли слева, ближе всего к реке, немцы были в центре, а войска Речи Посполитой (которые медленнее других занимали свои позиции) — на возвышенностях правого фланга. Противник имел значительный численный перевес над силами Мерзифонлу Кара Мустафы, которые насчитывали около 30 000 человек, плюс неизвестное количество молдаван, валахов и татар. Яростная битва, которая началась 12 сентября, продолжалась до вечера. Утром основная борьба шла в низине у реки, но как только Собеский с кавалерией Речи Посполитой сумел нагнать другие воинские контингенты, стали возможными слаженные действия. К концу дня, когда противник перешел в наступление, османская армия была рассеяна, а те, кто еще не был разрублен на куски, поняли безнадежность своего положения и бежали. Осада закончилась провалом. Когда войска союзников стали собирать трофеи на брошенных позициях османской армии, люди Собеского захватили львиную долю добычи, в том числе и украшенные великолепной вышивкой шатры высшего командования, которые сегодня можно увидеть в музеях Кракова и других городов, расположенных на бывших польских землях.
Те османские силы, которые не были уничтожены или взяты в плен, страдая от холода и голода, отступали по дороге на Дьёр, где они и переправились через реку Раба. Когда известие о поражении под Веной пришло в лагерь султана под Белградом, он пришел в ярость и, угрожая казнить Кара Мустафа-пашу, потребовал, чтобы тот предстал перед ним. Но великий султан отказался следовать в Белград, ссылаясь на то, что он болен. Было понятно, что в ближайшее время надо начинать подготовку к следующей кампании, и Мехмед со своей свитой направился обратно в Эдирне, не дожидаясь, когда Кара Мустафа прибудет в Белград. Если вина за поражение (не принимая во внимание вмешательство Собеского) и лежала на Кара Мустафе, то она не столько была обусловлена его решением идти прямо на Вену, сколько некоторым количеством допущенных с его стороны технических просчетов. Например, он не стал использовать во время осады тяжелую артиллерию, отдавая предпочтение легким пушкам, которые несомненно отличались большей подвижностью и транспортабельностью, но оказались неспособны пробить брешь в сильно укрепленных стенах Вены. Он не сумел ничего противопоставить предпринятым защитниками города успешным операциям по контрминированию, и они ослабили натиск османских войск во время осады.
Перед тем как отойти на зимние квартиры, Мерзифонлу Кара Мустафа-паша реорганизовал оборону венгерского фронта. Он обвинил в разгроме губернатора Буды, который еще в начале кампании не согласился со стратегией обхода Дьёра и наступления на Вену, а впоследствии своим неумелым руководством войсками вызвал неудовольствие великого визиря. Он был казнен, а его поместье конфисковано в пользу казны.