Для русских войск создалось крайне опасное положение. В этот момент Румянцев вызвал резерв, который оттеснил противника от устья лощины. Сюда же он приказал двинуть и артиллерию, открывшую огонь по конным массам турок, стесненным в лощине боковыми хребтами. Несмотря на большие потери, турки продолжали натиск, бросая в атаку все большие силы. Русские пехотные каре успешно отражали конные атаки, но кавалерия оказалась в критическом положении. В целях лучшей обороны ее отвели за каре, а с тыла и с флангов прикрыли пехотой, построенной в мелкие батальонные каре. Около трех часов заняло отражение натиска турецкой конницы. К восьми утра русские войска перешли в решительное наступление.
Но лишь только русские войска поднялись на небольшую высоту, лежащую в непосредственной близости к укреплению, скрывавшийся в засаде большой отряд янычар атаковал каре и стремительным натиском прорвал его фронт. Ворвавшись внутрь русского боевого построения, янычары привели его в замешательство. Первые ряды атакующих русских частей стали отступать, с трудом отбиваясь от массы наседавшего на них противника. Увидев это, Румянцев сказал находившемуся радом с ним принцу Брауншвейгскому: «Теперь настало наше дело», и бросился к солдатам. Взяв первое попавшееся ему на глаза из валяющихся на земле ружей, он закричал: «Товарищи, вы видите, что ядра и пули не решили; не стреляйте более из ружей, но с храбростию примите неприятеля в штыки». Командующий перестроил войска заново в каре и сам повел их на противника в штыковую…
В то же время гренадерский батальон сумел пробраться лощиной к плохо защищенному турецкому левому флангу и открыл продольный огонь. Вслед за ним двинулись и остальные силы. Одновременно был атакован правый фланг турок, а на тыл противника обрушился огонь русской артиллерии.
Турки, терпя громадный урон, поражаемые с фронта и тыла, сбитые в нестройную толпу, не выдержали и начали беспорядочно отступать, а затем побежали. Победителям достался лагерь противника и его артиллерия – 140 исправных пушек с полным боезапасом. Людские потери Халиль-паши в этом сражении были огромны. Наградой за Кагул Румянцеву стал чин генерал-фельдмаршала. Успех Румянцева был закреплен победами Каменского при Базарджике, Ивана Салтыкова – при Туртукае, Суворова – при Козлуджи.
К лету 1774 года великий визирь предложил снова заключить перемирие и начать мирные переговоры. Мир был заключен в деревне Кючук-Кайнарджи, которую незадолго до этого занял Румянцев. Мирный договор был подписан в русской ставке по-походному, на полковом барабане. Он обеспечивал России исключительно выгодные условия. Кючук-Кайнарджийский мир превратил Россию в черноморскую державу и значительно укрепил ее позиции на юге, в Закавказье и на Балканах.