Перший день боїв точився доволі мляво й не дав переваги жодній зі сторін. Козаки й татари намагалися відрізати супротивника від пасовиськ, аби спровокувати нестачу фуражу у ворожому таборі. Значно динамічніше й кривавіше протікала січа наступного дня. Дев'ятнадцятого червня, коли до Берестечка підтягнулися основні сили кримців, перевага була на боці українського гетьмана та кримського хана. Особливо відчутною вона стала в другій половині дня. Кинуті в бій полки брацлавського воєводи Станіслава Лянцкоронського й подільського Станіслава Потоцького потрапили в критичне становище. Їм на допомогу поспішили полки коронного гетьмана Миколая Потоцького й коронного маршалка Єжи Любомирського, згодом — литовського підканцлера Льва Саніги. Але досягти бажаного коронному командуванню не поталанило, і воно було змушено давати команду на вихід з бою коронних частин, інакше все могло б закінчитися справжньою катастрофою. А так на вечір козакам і татарам вдалося лише взяти в лещата польський табір і змусити годувати коней лозою і дубовим листям, оскільки пасовиська були відрізані повністю.
У ніч з 19 на 20-е до козацького табору врешті підоспіла піхота, яку до світанку Хмельницький встиг переправити через річку Стир і прилеглі до неї болота. Після цього Богдан уже міг кинути в бій понад сто тисяч вояцтва! Утім, у п'ятницю 20 червня битва розпочалася лише пополудні, оскільки зранку над полем стояв надзвичайно густий туман, який унеможливлював будь-яку координацію військового маневрування. Водночас, туман, який заважав розпочати битву від світання, надав час для продуманого вишиковування наявних сил. Отож у горнило протистояння було кинуто й кінноту, і піхоту, і вдало використано артилерію. Зайнявши своїми полками центр і правий фланг, український гетьман віддав лівий фланг татарам. Окремі татарські загони підсилювали й козацьку кінноту. У центрі своєї побудови, на узвишші, Хмельницький наказав спорудити укріплений табір із сполученими між собою ланцюгами возами.
Не менш ретельно підготувалися до майбутньої січі й коронні жовніри. Досвідчений артилерист, генерал Зиґмунд Пшиємський вишикував королівську армату таким чином, що під її обстріл потрапляли і центр, і лівий і правий фланги ворога. Там же, у центрі бойового шикування, були поставлені піхотні полки під командою князя Богуслава Радзивілла та генерал-майора Кшиштофа Хубальда, кінні хоругви списоносців і рейтар, хоругви шляхетського ополчення. Командування центральним угрупуванням військ взяв на себе особисто Ян II Казимир. На правому фланзі під командуванням коронного гетьмана Миколая Потоцького було зосереджено основну частину посполитого рушення, а також регулярні полки Лянцкоронського, Любомирського, Конєцпольського і Сапєги. Лівий фланг теоретично було віддано під командування польного гетьмана Мартина Калиновського, і він міг диспонувати полками Яреми Вишневецького й Станіслава Потоцького, а також частиною посполитого рушення. Фактично ж, як переконують результати досліджень польських істориків, лівим крилом королівської армії командував войовничий князь Ярема Вишневецький, і це значною мірою визначало активність цієї частини війська в ході битви, що розгорілася невдовзі.
Отож, коли близько десятої години ранку туман над Берестечком розвіявся, перед учасниками цієї кампанії постала справді грандіозна і смертельно велична панорама майбутньої битви, вціліти в якій могло пощастити небагатьом. І коли туман розвіявся остаточно, зіткнення справді було настільки потужним і безпощадним, що, за свідченням польського учасника, півгодини все було «у вогні, не можна було нічого чути, лише гук... з ручної стрільби і гармат, так що ми вже думали, що звідтіля ніхто живим не повернеться». Хоча спочатку битви сторони начебто якось знехотя в неї вступали, кожна сторона намагалася виманити супротивника на себе, аби порушити його бойове шикування й тим самим отримати тактичну перевагу. Козацькі і татарські гарцівники всіляко намагалися вибити зі стану спокою своїх опонентів, але король суворо заборонив реагувати на будь-які провокації. Так тривало майже до четвертої години дня, і в оточенні Яна II Казимира навіть велися розмови про те, аби перенести бій на наступний день. Але саме в цей час не витримали нерви князя Вишневецького, котрий через свого гінця висунув вимогу про дозвіл на атакування ворога. Король не став перечити, і битва почалася атакою лівим флангом, де воєвода руський з нелюдською відвагою кинувся на козаків. Слідом за полками, що були під командою Вишневецького, у бій втягнулися й інші частини.
Справді, ініціатива в ході бою декілька разів переходила від однієї сторони до іншої. На полі бою множились гори трупів. Утім 20 червня до перемоги були все ж трохи ближчими коронні жовніри, а не козаки. Кинуті королем в атаку по центру підрозділи німецької піхоти та рейтар, маючи за собою потужну вогневу підтримку королівської артилерії, почали продавлювати козацький центр оборони. Заклики Хмельницького про допомогу, адресовані кримському хану, результатів не давали. Окремі джерела вказують на те, що начебто Хмельницький в цей час примчав до ставки хана, докоряючи йому за ненадання козакам дієвої допомоги. Іслам Ґерай же якось непереконливо пояснив свою пасивну поведінку наближенням байраму — важливого релігійного свята мусульман.
Ось на такому тлі й сталася подія, що, як виявиться уже згодом, стане кульмінаційним моментом літньої кампанії 1651 р. Як оповідатиме вже згодом великий литовський канцлер Альбрихт Радзивілл, «один з наших, помітивши під лісом велику білу хоругву, сказав, що там перебуває хан, і порадив королеві випалити туди із зарядженої гармати. Так і вчинили, і якийсь знатний татарин, що стояв поблизу хана, від гарматного залпу впав з коня. Увесь той величезний натовп варварів повернувся і кинувся до втечі, так що наша кіннота, коли варвари в паніці втікали, ледве могла досягнути їх зброєю». За іншими відомостями, по ханському намету начебто було випущено декілька гарматних ядер. Одним з них було поранено в ногу самого Іслама III Ґерая, іншими — вбито нуреддина Крима Ґерая та поранено ще ряд татарських мурз. Усе це разом нібито й спровокувало віддачу ханом наказу про вихід Орди з бою.
Утім переконливіше виглядають твердження тих істориків, які доводять, що розповідь про поранення хана та значні людські жертви серед його оточення є не більше як гарним міфом, покликаним прикрити ганебну реальність. Насправді ж, у напрямку кримського правителя 20 червня було прицільно випущено лише одне ядро, яким було вбито ханського прапороносця та обкурено самого Іслама III Ґерая. І цього виявилося досить, аби хан панічно кинувся на пагорб, а звідти — у напрямку Вишнівця. Слідом за ханом розпочалася втеча всіх його підданих. До рук поляків потрапив обоз хана, у тому числі ханський намет, бунчуки більшості чамбулів, дорогі тканини та коштовності.
Оголення в результаті втечі Орди лівого флангу оборони поставило козацьку армію в катастрофічне становище. Аби переконати хана повернутися під Берестечко навздогін йому кинувся Хмельницький з кількома старшинами. Але хан не лише не прийшов на допомогу своїм союзникам, а й, захопивши із собою гетьмана, почав відходити на південь. Щоправда, за деякими відомостями, Хмельницькому таки вдалося вмовити Іслама III Ґерая повернути Орду на поле бою. Різняться лише деталі цієї справи. За однією версією, хан був готовий повернути все татарське військо під Берестечко і лише проливний дощ, який густо впав на голови кримцям, збунтував мурз проти рішення свого правителя та змусив його відмовитися від свого наміру. За іншою версією, на допомогу козакам Іслам III Ґерай вислав 20 тисяч кримців, яких супроводжував генеральний писар Війська Запорозького Іван Виговський. Але, пройшовши лише 20 верств, татарські мурзи кинули напризволяще свого проводжатого та повернули до ханського обозу.
Після цих подій у королівському таборі панувало неймовірне піднесення — жовніри не припиняли всю ніч славити Бога за його допомогу в приборканні свавільців, а Ян II Казимир, перебуваючи в стані крайнього нервового перенапруження, цілу ніч не злазив з коня.
Природно, що в козацькому таборі запанувала зовсім інша атмосфера. Украй важливим було те, що козацькій старшині, навіть без гетьмана, вдалося організувати ефективну оборону табору, відійшовши під щільним артилерійським обстрілом королівської артилерії до річки Пляшівка, притоки Стиру, де болото й хащі створювали природний захист козацьким тилам. За ніч, що минула після фатальних подій 20 червня, козакам вдалося укріпити свій табір, і, коли на ранок наступного дня коронне командування було готове мало не голими руками брати свого переможеного супротивника, виявилося, що козаки були здатні відбити не одну атаку ворога. Отож, аби не множити жертви з власного боку, королівське оточення ухвалило рішення відмовитися від штурму козацьких укріплень, а здобути їх облогою.
За відсутності Богдана, в умовах жорсткої блокади козацького табору супротивником, украй важливо було втримати у війську дисципліну і керованість. Кинувшись навперейми хану, Богдан залишив старшим над військами полтавського полковника Мартина Пушкаря. Через день, 22 червня, наказним гетьманом козаки обрали кропивнянського полковника Филона Джеджалія. Спроба наказного гетьмана в ніч на 25 червня атакувати ворога успіху не мала. Отож наступного дня Джеджалію довелось випробувати інших способів: він вислав до королівського табору на перемовини послів — полковників Михайла Крису та Матвія Гладкого. Під час реалізації своєї посольської місії полковник Криса перейшов на бік короля, передавши при цьому цінну інформацію про становище обложених і запропонувавши шляхи розгрому козацького табору. Своїми діями Криса не лише завдав серйозних збитків обороноздатності козацького табору, а й вкрай негативно вплинув на морально-бойові якості козацького війська. Невпинно зростало недовір'я поміж знатним козацтвом та козацькою черню й новоприлученими до військового товариства вчорашніми селянами й міщанами. Останні побоювалися, що слідом за Крисою й інша статечна козацька старшина спробує вимолити собі прощення в короля за рахунок козацької голоти та поспільства. У ніч на 30 червня козацьке товариство обрало на місце Джеджалія полковника Івана Богуна.
Новий наказний гетьман було спробував на чолі двох тисяч вибраних кінних козаків прорвати кільце ворожої блокади. Але ця важлива з воєнної точки зору акція принесла вкрай негативні наслідки. Козацька чернь сприйняла військові приготування Богуна як прояв змови козацької старшини. У таборі зчинилася паніка. Скориставшись з неї, коронні жовніри зуміли увірватися в середину нього та завдати козакам надзвичайно відчутних втрат. Лише за один день загинуло близько 8 тисяч козаків. Богуну неймовірними зусиллями таки вдалося організувати прикриття відходу козацьких військ. Кількатисячний козацький ар'єргард ціною свого життя стримав навальний наступ противника, а тим часом основні сили разом з артилерією покинули обложений табір. Зважаючи на складний рельєф місцевості, на якій розгорталася евакуація козацького табору, враховуючи потребу в подоланні трьох переправ, втрати козаків були величезними: за одними джерелами, вони склали приблизно чотири тисячі чоловік, а за іншими — близько восьми. Невмирущою славою вкрили себе кілька сотень козаків, котрі на одному з острівців посеред боліт і проток Пляшівки організували відчайдушну оборону. Попри величезну перевагу ворога, вони відмовились скласти зброю й здатися на милість переможців. У нерівному бою всі козаки загинули, викликавши своєю мужністю захоплення навіть у ворога.
У здобутому козацькому таборі під Берестечком коронні жовніри знайшли чимало вогнепальної зброї, гармат і пороху, 20 козацьких корогв, одну гетьманську булаву, скарбницю гетьмана, документи Генеральної військової канцелярії. До рук переможців потрапив посол турецького султана. А ще в таборі було знайдено прострілене стрілою тіло митрополита Корінфського Йоасафа, котрий супроводжував Богдана Хмельницького в поході й загинув під час атаки коронних жовнірів.
