Крымский хан, имея артиллерию и громадное количество кавалерии, не опасался за исход сражения – и совершенно напрасно. Русские воеводы во главе с главным воеводой Михаилом Воротынским применили против татар новую, неожиданную для них тактику – так называемый «гуляй-город». Это был аналог хорошо известного табора гуситов, когда вооруженная ручницами, пищалями и полевой артиллерией пехота укрывалась от конницы за рядами телег и возов, прочно скрепленных между собой цепями и обшитых по периметру широкими и прочными деревянными щитами. Применить против такого подвижного «укрепрайона» традиционную атаку татарской летучей конницы, обсыпающей противника с безопасного расстояния градом стрел, невозможно – стрелы в подавляющем большинстве не достигнут цели, застряв в щитах и возах. Еще глупее пытаться взять такой ощетинившийся во все стороны ружейными дулами и орудийными жерлами табор прямой атакой, причем абсолютно неважно, с какой стороны – дружный залп и последующий беглый огонь по готовности не оставлял оказавшейся в пределах поражения атакующей кавалерии никаких шансов.
Однако именно последнее и сделал крымский хан. Увлекшись преследованием отряда Хворостинина, крымская конница попала под прямой пушечный огонь из «гуляй-города» и понесла колоссальные потери. Стрелявшие практически в упор московские пушкари буквально вырубали каждым выстрелом целые просеки в лесу атаковавших всадников. И хотя первый бой не принес решающего перевеса ни одной из сторон, в нем погибли важные татарские военачальники – три брата Хаджи-бея, командиры ширинского ополчения, и был захвачен в плен Деве-бей, глава ногайцев. Это также сыграло роковую роль в борьбе татарского войска с русским «гуляй-городом».
Вместо того чтобы окружить полевое укрепление, оставаясь при этом вне пределов досягаемости ружейных и пушечных выстрелов, и просто дожидаться, когда у окруженных закончатся съестные припасы и вода, ногайцы требовали немедленного штурма, чтобы освободить своего предводителя. Девлету Гераю пришлось на это согласиться, и 11 августа произошло решающее сражение. Успешно используя тактико-технические преимущества своего войска, русские воеводы расстреляли атаковавших татарских кавалеристов, нанеся им колоссальный урон. У одного лишь хана погибли в этот день сын и внук, не считая множества беев, десятков мурз и тысяч рядовых воинов, выкошенных плотным оружейным и артиллерийским огнем. Под прикрытием лощины часть русских стрельцов вышла в тыл атаковавшим татарам и также нанесла существенный урон своей меткой стрельбой.
В итоге, потерпев поражение при Молодях и ложно извещенный о подходе основных русских сил во главе с Иваном IV, Девлет Герай отступил от Москвы: «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».
Новгородская летопись хранит такую запись: «Да того месяца августа 6 в среду, государю радость, привезли в Новгород Крымскаго лукы да дви сабли да саадачкы стрелами… а приехал царь Крымской к Москве, а с ним были его 100 тысяч и двадцать, да сын его царевич, да внук его, да дядя его, да воевода Дивий мурза – и пособи Бог нашим воеводам Московским над Крымскою силою царя, князю Михайлу Ивановичю Воротынскому и иным воеводам Московским государевым, и Крымской царь побежал от них невирно, не путми не дорогами, в мале дружине; а наши воеводы силы у Крымскаго царя убили 100 тысяч на Рожай на речкы, под Воскресеньем в Молодях, на Лопасте, в Хотинском уезде, было дело князю Михайлу Ивановичю Воротынскому, с Крымским царём и его воеводами… а было дело от Москвы за пятдесят верст».
Сражение при Молодях 1572 г. стало важнейшим событием в истории Центрально-Восточной Европы последней трети XVI в. – Московское централизованное государство устояло в схватке с Крымским ханством в самый опасный момент своей истории. Успех сожжения Москвы в 1571 г. не был, таким образом, закреплен и пропал впустую. Если после победы над крымским войском при Молодях Московское государство и не смогло окончательно вырваться из орбиты влияния Крымского ханства, продолжавшего требовать и получать от Ивана IV богатые поминки, то о восстановлении подобия Золотой Орды с центром в Бахчисарае уже не могло быть и речи.