Розгортання масового повстанського руху після знищення польського кварцяного війська під Жовтими Водами і Корсунем примусило шляхту і уряд Речі Посполитої до активних дій. Було оголошене рушення посполите (мобілізація шляхти) і набрана нова наймана армія. Переговори з Хмельницьким не обіцяли тривалого спокою. Детонатором, який зірвав тимчасове хитке перемир’я, стали каральні дії магната Я.Вишневецького, який у червні – липні здійснив каральний похід по Волині і Поділлю. До нього приєдналися підрозділи шляхтичів Тишкевича, Осинського, Заславського та ін.
Польське військо зосереджувалося на відстані 60 км від авангарду української армії, поблизу Чолганського Каменю. Це військо мало 80–90 гармат і нараховувало 32 тис. шляхетського ополчення, 8 тис. німецьких найманців і 40–50 тис. шляхетських слуг і обозної “челяді”. Настрій у шляхти був самовпевнений і легковажний. Недооцінюючи сили повстанців, шляхта нахвалялась розігнати “чернь” канчуками. Обоз був перевантажений коштовностями і предметами розкошу. В цей час Річ Посполита переживала болючий період міжкоролів’я. Відсутність твердої влади виявилася, зокрема, у неспроможності панівних кіл створити єдине командування каральними військами: на чолі шляхетського війська були поставлені зразу три регіментарі (полководці): нерішучий і поступливий князь Домінік Заславський; відомий своєю вченістю, але поганий полководець коронний підчаший Микола Остророг; гонористий і запальний молодий коронний хорунжий Олександр Конєцпольський. Хмельницькому приписується така словесна глумлива характеристика цих польських регіментарів: “перина, латина і дитина”. Регіментарі не були одностайні у своїх рішеннях і не мали авторитету серед війська. Війську бракувало єдності і дисципліни. “Кожний товариш хотів ротміструвати, ротмістр – полковникувати, полковник – гетьманувати”, – так характеризував стан свого війська сам Д.Заславський.
На початку вересня польське військо виступило з місць свого базування на Волинь. Йому назустріч вивів свої сили Б.Хмельницький, який рухався з Маслового Ставу через Паволоч, Хмільник на Старокостянтинів. Чисельність повстанської армії становила 100–110 тис. чол., причому, лише 50–70 тис. були озброєні належним чином, а решту становили погано озброєні покозачені селяни. Б.Хмельницький спинився під Пилявцями, за 25 км на південний схід від Старокостянтинова. Для свого табору він вибрав вигідну позицію – на правому березі р. Ікви (або Пилявки). Місцевість була нерівна, глибокі балки затруднювали пересування військ. Лівий (протилежний) берег і прилегла до нього територія мали складний рельєф (пагорби і рівчаки). Така місцевість була непридатною для розташування укріпленого табору і не дозволяла ворогові розгорнути в бойовий порядок свою кінноту. Річка Іква широко розливалася у стави і болота. По периметру чотирикутного табору в 6 рядів були поставлені вози, викопані шанці і насипані вали, на яких встановили більше 100 гармат. У таборі Хмельницького панувала сувора дисципліна. У невеликому Пилявецькому замку, який був поруч, був влаштований командний пункт Б.Хмельницького. Замок стояв на підвищеному березі Ікви, і з його башт було зручно спостерігати за полем бою. Вище замку була гребля, яка одночасно слугувала мостом через Ікву. Для охорони греблі на правому березі засіла в окопі козацька піхота. М.Кривоніс, вивівши своїх козаків з-під Старокостянтинова, став окремим табором на лівому березі Ікви, навпроти Пилявецького замку, тобто на правому фланзі головних сил української армії, продовжуючи виконувати функції її авангарду. Формування К.Півторакожуха стали табором на лівому фланзі головних сил української армії і прикривали брід через Ікву.
Тим часом Старокостянтинів, розташований на лівому березі Случі, обороняв козацький гарнізон у 5 тис. чол. Росоловецьку переправу Чорного шляху прикривало 10 тис. козаків. Польська сторона, маючи перевагу у кавалерії (кримсько-татарське військо затримувалось з приєднанням до Б.Хмельницького), перебрала на себе ініціативу розпочати бойові дії. 5 вересня польсько-шляхетське військо безперешкодно переправилося через Росоловецьку переправу через Случ, а 6 вересня підійшло під Старокостянтинів, де були зустрінуті вогнем козацької застави. Вночі козацька залога несподівано залишила місто, що було сприйнято поляками як ознаку їх слабості і невпевненості. Але, як показав подальший хід подій, це був стратегічний маневр, розрахований на заманювання противника на невигідні для нього позиції. Переслідуючи козацькі загони, польсько-шляхетське військо вийшло на позиції навпроти табору Б.Хмельницького. У зв’язку зі складністю рельєфу місцевості суцільний укріплений табір організувати не вдалося. Окремими острівцями він хаотично розкинувся на шести пагорбах серед рівчаків і боліт.
11(21 за новим стилем) вересня розгорілися бої за греблю, яка відкривала доступ до табору Хмельницького. Кидаючи в бій щоразу свіжі козацькі резерви, Хмельницький вимотував сили шляхти на ікавській “гребельці”. Лише застосувавши виснажливий обхідний маневр кіннотою і кинувши у бій кілька тисяч чоловік, поляки змогли ціною значних жертв оволодіти греблею і створити невеликий плацдарм на правому березі Ікви. День 12 (22) вересня пройшов у герцях; тоді ж на з’єднання з Хмельницьким підійшла Буджацька орда чисельністю біля 20 тис. вершників.13 (23) вересня Хмельницький повів у наступ усі свої сили і примусив шляхетські загони до безпланового бою на невигідному для них місці. Зранку полки з табору Хмельницького і з табору Кривоноса, а також татари приготувались до наступу. Тоді й польське військо вишикувалось до бою. Один з офіцерів на власний розсуд дав команду кільком корогвам кінноти йти в атаку. Через це вся польська кіннота ув’язалася у безладний бій на невигідних позиціях, розбігаючись по балках, далеко від польського табору. Коли в польському війську запанувало повне безладдя, Хмельницький сильним ударом розбив передові польські позиції і почав наступ на польський табір. Козаки захопили греблю на Ікві, їх полки перейшли на лівий берег і почали наступ на польський табір. Татарська кіннота вийшла на фланги і в тил противника. За цей час значна частина польської кінноти, яка так необережно зав’язала бій з козацькими полками і татарами, розбрелася по різних балках, долинах і болотах і здебільшого була оточена і розгромлена. Решту шляхетського війська охопила паніка. Щоб уникнути повного розгрому, польське командування відкликало з поля бою всі хоругви і почало готуватись до відступу табором. Відступ розпочався уночі і перетворився у панічну втечу. Був кинутий напризволяще обоз. Вся артилерія і великі запаси пороху дісталися козакам. Переможцям дісталися десятки тисяч возів, 92 гармати та велика позолочена й обсипана коштовним камінням гетьманська булава Заславського. Загальна вартість трофеїв перевищувала 7 млн. злотих.
В результаті перемоги під Пилявцями були визволені Волинь і Поділля, і армія Хмельницького рушила на Львів. Уперше склалися передумови для визволення усіх українських земель з-під іноземного гноблення і об’єднання їх у межах єдиної незалежної держави.
