12 września 1683 o czwartej rano król Jan III Sobieski uczestniczył w Mszy św., którą celebrował na ruinach kościoła św. Józefa i klasztoru legat papieski Marek z Aviano. Bitwa rozpoczęła się rankiem 12 września, ale rozstrzygające natarcie jazdy miało miejsce późnym popołudniem. Kara Mustafa, będąc pewnym wartości swoich wojsk, nie poczynił większych przygotowań do obrony. Obóz turecki nie został wystarczająco umocniony. Zabezpieczono jedynie odcinek między wioskami Nussdorf a Schafberg. Na północ od Wienhaus wzniesiono kilka szańców zwanych przez wiedeńczyków Türkenschanz. Niemcy i Austriacy atakowali na lewym skrzydle na łagodnych stokach wzgórz między Kahlenbergiem i Leopoldsbergiem, w bezpośrednim sąsiedztwie Dunaju. Polacy przedzierali się dalej przez bezdroża Lasu Wiedeńskiego. Turcy nie skupili tam większych sił, gdyż z tej strony nie spodziewali się ataku.

Na skraj Lasu Wiedeńskiego wojska Sobieskiego wyszły dopiero w godzinach popołudniowych. Znajdował się tam rozległy teren doliny rzeczki Wiedenki, opadający łagodnie w kierunku oblężonego Wiednia. Bliżej znajdowało się wielkie obozowisko i spiesznie formujące się oddziały tureckie. W winnicach porastających stoki ukrywały się oddziały janczarów. Król kazał więc generałowi Kątskiemu wysunąć do przodu piechotę i artylerię celem oczyszczenia terenu. Po kilkugodzinnej walce piechurzy Zbrożka wyparli wojska tureckie i otworzyli drogę kawalerii.

Kolejną decyzją Sobieskiego było wysłanie chorągwi husarskiej porucznika Zbierzchowskiego na rozpoznanie terenu, czy nie kryje rowów, wilczych dołów, aproszy itp. Chorągiew przebiegła cwałem między stanowiskami tureckimi, prowadząc do ich dezorganizacji, ale i ponosząc duże straty. Rozpoznanie potwierdziło dane wywiadowcze, że szarża jazdy z tej strony jest możliwa.

O godzinie 18 Sobieski dał znak do rozpoczęcia generalnego szturmu. Do szarży ruszyła husaria hetmanów Stanisława Jabłonowskiego, Mikołaja Sieniawskiego, a także pułki dowodzone bezpośrednio przez króla; szarżowała również kawaleria austriacka i niemiecka. Zdaniem niektórych historyków brało w niej udział ponad 20 tys. jeźdźców. Osmanowie nie wytrzymali impetu szarży. Pierwsi w rozsypkę poszli Tatarzy, potem spahisi, wreszcie piechota janczarska, dotąd oblegająca Wiedeń, ściągnięta dla ratowania frontu. W końcu do ucieczki rzucił się także wezyr ze świtą.

Po zdobyciu obozu Sobieski zatrzymał swe wojska, gdyż cel, jakim było oswobodzenie Wiednia, został zapewniony. Bitwa trwała około 12 godzin, z tego przez 11,5 godziny odbywał się ostrzał artyleryjski przygotowujący atak. Szarża Sobieskiego zakończyła się w ciągu pół godziny.

W nocy, w zdobycznym namiocie wezyra, król napisał dwa listy. Jeden do papieża Innocentego XI – ze słowami Venimus, vidimus et Deus vicit (Przybyliśmy, zobaczyliśmy i Bóg zwyciężył), drugi do małżonki, Marysieńki, zaczynając od słów: Bóg i Pan nasz na wieki błogosławiony dał zwycięstwo i sławę narodowi naszemu, o jakiej wieki przeszłe nigdy nie słyszały.

Straty Turków w bitwie wyniosły do 20 tysięcy zabitych i 5 tysięcy rannych, podczas gdy sprzymierzeni stracili 1500 zabitych i około 2500 rannych. Znaczna część armii tureckiej zdołała ujść z pogromu, tracąc jednak część uzbrojenia, wszystkie działa oraz zapasy wojenne. Od pogromu wiedeńskiego Imperium Osmańskie nie przeszło więcej do ofensywy, a wielki wezyr Kara Mustafa za przegraną bitwę wiedeńską i całą nieudaną wyprawę wojenną został z rozkazu sułtana uduszony.

Spotkanie króla z cesarzem wypadło chłodno. Leopold I nie zdjął kapelusza ani w chwili, gdy prezentowano mu królewicza Jakuba, ani gdy podczas przeglądu wojsk pochylały się przed nim polskie sztandary. Oburzyło to Sobieskiego i całe rycerstwo. Od tego spotkania stosunki uległy pogorszeniu. Austriacy przestali wojskom polskim dostarczać prowiant. Nie godzili się również na pochówek żołnierzy polskich w mieście wskazując pola i cmentarze dalej położone, gdzie chowani byli polegli żołnierze z armii tureckiej. Zdarzały się przypadki otwierania ognia do głodnych żołnierzy polskich usiłujących wejść do miasta. Utrudniali też pozyskanie statków potrzebnych do przewiezienia rannych i chorych do zorganizowanego w Preszburgu szpitala. Po tych działaniach wśród żołnierzy polskich pojawiły się opinie, że cesarz niepotrzebnie otrzymał odsiecz, cyt.: „Niechby ta pycha do szczętu wyginęła".