Утром следующего дня противник начал артиллерийский обстрел русских позиций, а около полудня перешел в атаку против их левого фланга. После упорного боя и частых контратак русским войскам удалось приостановить наступление пруссаков западнее Мюльберга. Салтыков, усилив войска центра, отразил в упорном бою атаки противника, нанеся ему большие потери.
Тогда Фридрих II ввел в сражение свой последний резерв – лучшую в то время в Западной Европе конницу генерала Зейдлица, но и она была разбита войсками под командованием графа Румянцева.
После этого Салтыков перешел в решительную контратаку, которая закончилась полным разгромом прусских войск. От 48-тысячной армии у Фридриха II осталось лишь 3 тысячи человек, а разбежавшиеся остатки прусских войск спаслись лишь потому, что их преследование не было доведено до конца австрийской и русской кавалерией.
За победу при Кунерсдорфе Салтыков был удостоен звания генерал-фельдмаршала и славы победителя непобедимого Фридриха II.
После своих двух побед он был убежден, что теперь очередь действовать против Фридриха II за Дауном и что русская армия не должна была выносить на своих плечах всю тяжесть войны.
11 августа в Губене состоялось свидание обоих главнокомандующих. Было решено оставаться на прежних позициях до взятия Франкфурта, а затем совместно двигаться в Верхнюю Силезию.
Однако действия прусских войск в тылу австрийской армии вынудили главнокомандующего Дауна двинуться за пруссаками в Саксонию. Оставив Салтыкову только 12 тысяч человек для помощи в осаде Глогау, хотя по договору осада должна была проводиться общими усилиями, Даун поставил Салтыкова в весьма трудное положение.
Этим воспользовался Фридрих II, а чтобы предупредить русские войска. У Глогау, он быстрым маршем двинулся вперед и 24 сентября достиг Одера раньше Салтыкова. Он был готов принять сражение со своей 20-тысячной армией против 50-тысячной союзной армии, но 12 сентября на русском военном совете Салтыков, принимая во внимание как неисполнение австрийцами своих обязательств по продовольствию русской армии, так и полный недостаток артиллерийских припасов, решил перевести всю армию на правый берег Одера.
В середине декабря, расположив свою армию по квартирам на Нижней Висле, он отправился в Петербург для участия в заседаниях конференции по составлению плана кампании 1760 года. Петр Семенович хотел вести самостоятельные военные действия независимо от австрийцев, но постоянно встречал препятствия как со стороны конфедерации, так и со стороны союзников.
Вернувшись к армии в начале 1760 года, он решил, насколько возможно, беречь ее, избегая всяких решительных действий против прусских войск, чтобы не играть на руку союзникам, имевшим цель возложить главную тяжесть войны на русские войска, а самим действовать в зависимости от обстоятельств. До августа Петр Семенович руководил войсками, но затем из-за болезни, видимо сказались тяжесть последних сражений и нервные переживания, он сдает командование армией графу Фермору.