Фридрих II с 15 тыс. войска двинулся на Одер, соединился с корпусом Дона и пошел вниз по Одеру на русских.
Фермор снял осаду Кюстрина и 11 августа отступил к Цорндорфу, где занял хорошую позицию. Однако Фридриху удалось обойти его с тыла. Русской армии пришлось перестраивать фронт уже под огнем. Правый и левый ее фланги разделялись оврагом. Обходной маневр Фридриха припирал русских солдат к реке Митчель и превратил главную выгоду Цорндорфской позиции Фермора в чрезвычайную невыгоду, так как река теперь очутилась в тылу русских войск.
Фридрих сначала обрушился на правый фланг русских, а затем — на левый. В обоих случаях, как подчеркивает Антон Керсновский, прусская пехота была отражена и опрокинута, но, преследуя ее, русский строй развалился и попал под удар прусских кавалеристов. Русская кавалерия насчитывала всего 2700 сабель.
Русская сторона потеряла в этой битве 19500 человек убитыми и ранеными, а также 3000 пленными, что составляло более половины всей армии.
«Обсервационный корпус», в котором было 9143 человека после Цорндорфа насчитывал всего 1687 человек.
Пруссаки потеряли около 35% всего войска, это 10 тысяч убитых и раненых и полторы тысячи пленных.
Тем не менее Керсновский отмечает, что в моральном отношении Цорндорф явился русской победой и жестоким ударом для Фридриха. Тут, что называется, «нашла коса на камень» — и прусский король увидел, что «этих людей можно скорее перебить, чем победить».
Стойкость русских Фридрих II поставил в пример собственным войскам, особенно пехоте.
Один из участников цорндорфской битвы Болотов так описывает последние ее моменты: «Группами, маленькими кучками, расстреляв свои последние патроны, они (то есть русские солдаты) оставались тверды, как скала. Многие насквозь пронзенные продолжали держаться на ногах и сражаться. Другие, потеряв ногу или руку, уже лежа на земле, пытались убить врага уцелевшей рукой».
Фермор имел возможность возобновить сражение, имея при этом большие шансы на успех, однако, он не стал этого делать. Когда Фридрих отступил в Силезию, Фермор попытался овладеть сильно укрепленным Кольбергом в Померании. Осада не удалась, и в конце октября русская армия встала на зимние квартиры на нижней Висле.
«История русской армии» оговаривает, что в 1759 году качество прусской армии было уже не то, что в предыдущие годы. Погибло множество боевых генералов и офицеров, старых и испытанных солдат. В ряды приходилось ставить пленных и перебежчиков наравне с необученными рекрутами. Потому Фридрих решил отказаться от обычной своей инициативы и дождаться действий союзников.