Dans la nuit du 11 septembre, les troupes impériales, placées à la gauche, occupent la colline du Kahlenberg au nord de Vienne. Les troupes des États de l’Empire au centre, et les Polonais, à droite, prennent progressivement position sur les hauteurs situées à l’ouest de la ville de Vienne. Les positions turques, sont situées en contrebas, avec le camp principal situé au sud, une puissante redoute, la Türkenschanz au centre, et de nombreux villages fortifiés et points d’appui protégeant ces deux points. Selon le plan de l’armée chrétienne, les Impériaux, situés à gauche, doivent suivre un axe nord-sud le long du Danube afin de directement menacer la Türkenschanz par le nord. Les forces des États du Saint-Empire, au centre, doivent converger vers ce même point en progressant vers le sud-est. Enfin, l’aile polonaise (renforcée de mousquetaires impériaux), à droite, doit progresser plein est. Néanmoins, située plus loin de positions ottomanes et devant parcourir un terrain accidenté, elle ne pourra sans doute attaquer que tardivement.
La bataille
À 5 heures du matin le 12 septembre, l’armée impériale à l’aile gauche et celle des princes allemands au centre avancent sur l’ennemi. À midi, après de durs combats et plusieurs contre-attaques des Ottomans, les Impériaux ont déjà fortement progressé et ont pris les villages fortifiés de Nussdorf (en) et Heiligenstadt, se rapprochant de la Turkenschanz et infligeant de lourdes pertes à leurs adversaires8. En début d’après-midi, c’est au tour des Polonais de progresser sur l’aile droite, sans toutefois engager le combat avec les Ottomans. Ils prennent position dans le village de Gersthof et occupent les hauteurs des alentours, d’où leurs cavaliers, dont les fameux hussards polonais, se préparent à attaquer. Vers 15 h 30, les troupes impériales, dirigées par Charles de Lorraine, le duc de Saxe-Lauenbourg, le duc Jean-Georges de Saxe et le général Charles-Frédéric de Waldeck, reprennent leur avance, et après de nouveaux violents combats, elles prennent les villages d’Unterdöbling et Oderdöbling, ce qui les amène juste devant la Türkenschanz (où se trouve alors le vizir Kara Mustafa) qu’elles menacent par le nord et le nord-ouest. Les mousquets des troupes du Saint-Empire déciment les unités turques qui défendent la redoute11.
À 16 heures, le roi Sobieski et sa cavalerie lourde entrent en action et lancent une puissante offensive depuis les collines qu’ils occupaient. Leurs multiples charges enfoncent brutalement les lignes ottomanes et leur permettent de prendre d’assaut la Türkenschanz par l’ouest. Vers 17 heures, attaquée par trois côtés et courant le risque d’être isolée, cette position est devenue indéfendable. Le commandant turc décide alors de se replier au sud, vers son principal camp. Néanmoins, certaines troupes ottomanes commencent déjà à se débander et à quitter le terrain. Beaucoup sont taillées en pièces par la cavalerie du Roi de Pologne. La situation devient critique pour les assiégeants.
C’est à ce moment que Sobieski décide d’une charge massive contre les dernières positions turques, au sud du champ de bataille, afin de définitivement anéantir l’armée ennemie. Aux alentours de 18 heures, trois corps de cavalerie polonais et un corps impérial (20 000 hommes en tout) prennent la direction du camp du Vizir, avec le Roi et 3 000 de ses hussards à leur tête. Cette charge est l’une des plus importantes de l’histoire européenne jusqu’alors. Démoralisées, les troupes ottomanes ne peuvent résister longtemps et se dispersent vite, dans un chaos épouvantable. Durant leur repli, beaucoup de soldats turcs sont tués par la cavalerie chrétienne. Kara Mustafa doit lui-même s’enfuir en hâte après avoir ordonné de tuer ses prisonniers, et sa défaite est totale. Dans la soirée, Louis de Bade entre dans la ville de Vienne à la tête de ses dragons, et est acclamé par la foule10. Au même moment, les Polonais procèdent au pillage du camp turc, suivis par leurs alliés le lendemain.
