Rankiem 15 lipca 1410 roku obie armie stanęły naprzeciw siebie. Wojska polskie i litewskie rozlokowane były na wschód od Łodwigowa i Stębarka, na skraju i częściowo w lasach, w pobliżu jeziora Łubień. Lewe skrzydło tworzyły główne siły polskie, pod dowództwem marszałka Zbigniewa z Brzezia i składały się w większości z ciężkiej jazdy. Prawe skrzydło wojsk koalicji tworzyło rycerstwo z Wielkiego Księstwa Litewskiego, pod dowództwem Wielkiego Księcia Witolda, składające się w większości z lekkiej kawalerii. Wśród sił prawego skrzydła były chorągwie z całego Wielkiego Księstwa Litewskiego, jak również posiłkowe oddziały Tatarów, prowadzone przez chana Dżalal ad-Dina, oddziały mołdawskie przysłane przez hospodara Aleksandra Dobrego oraz prawdopodobnie oddziały serbskie. Centrum stanowiły zaciężne piechoty z Czech i Śląska oraz trzy chorągwie smoleńskie. Całością wojsk unii dowodził król Władysław Jagiełło.

Jak podaje Jan Długosz, przed rozpoczęciem batalii trzystu najemnych żołnierzy czeskich wycofało się bez wiedzy króla z pola bitwy. Zawrócili jednak, gdy podkanclerzy Królestwa Polskiego, Mikołaj Trąba, napotykając ich na swojej drodze, wypomniał im strach przed wojskami zakonnymi^[13]. Mimo to podczas bitwy najemnicy z Czech i Moraw z chorągwi św. Jerzego prawdopodobnie ponownie opuścili plac boju, za namową swojego chorążego Jana Sarnowskiego. Również tym razem dostrzegł ich Mikołaj Trąba i oskarżył Jana o zdradę.

Bitwa rozpoczęła się około południa. Naprzeciw wojsk wielkiego mistrza – "...a dzieliła ich nawzajem od siebie odległość jednej strzały"^[13] – stały ukryte w lasach armie sprzymierzonych. Długie wyczekiwanie w pełnym słońcu sprowokowało wielkiego mistrza do wysłania emisariuszy z prowokacyjnym podarunkiem, dwoma nagimi mieczami. Długosz tak opisuje ten fakt: "Wielki mistrz pruski Ulryk posyła tobie i twojemu bratu (...) dwa miecze, ku pomocy, byś z nim i z jego wojskiem mniej sie ociągał i odważniej, niż to okazujesz walczył, a także żebyś dalej się nie chował i pozostając w lasach i gajach, nie odwlekał walki"^[13]. Niedługo potem "całe wojsko królewskie zaśpiewało donośnym głosem ojczystą pieśń Bogurodzicę, a potem wznosząc kopie rzuciło się do walki"^[13]. Aby w ferworze walki można było rozpoznać się na polu bitwy ustalono hasła, "które brzmiały – 'Kraków', 'Wilno'"^[12].

W przebiegu bitwy można wyróżnić pięć faz:

• na początku bitwy lekka jazda litewska i tatarska uderzyła na artylerię i piechotę krzyżacką. Artyleria zakonu zdołała oddać dwie salwy i nie wzięła udziału w dalszej części bitwy.
• II faza bitwy rozpoczęła się atakiem jazdy krzyżackiej na prawe i lewe skrzydło armii polsko-litewskiej i zderzeniem się ciężkiej jazdy obu stron. W efekcie powstały dwa ośrodki walki: prawe skrzydło wojsk litewsko-rusko-tatarskich przeciwko Krzyżakom w okolicach Stębarku i lewe skrzydło wojsk polskich i zaciężnych przeciw krzyżackim siłom głównym. Ta faza bitwy trwała około godziny.
• III faza bitwy powstała, kiedy jazda krzyżacka odepchnęła w zażartej walce wojska litewskie (40 chorągwi) pod wodzą wielkiego księcia Witolda w kierunku lasu i w efekcie nastąpiło załamanie się skrzydła litewskiego. Ta tzw. ucieczka Litwinów (według niektórych wersji początkowo pozorowana) związała w pościgu poważne siły zakonne. Wojska te wróciły na główne pole bitwy, przekonane o zwycięstwie Zakonu, kiedy wojska polskie na lewym skrzydle brały górę nad zakonnymi. W tej fazie bitwy Krzyżacy nieomal zdobyli wielką chorągiew królestwa i zaczęli nawet śpiewać pieśń zwycięstwa (niem. "Christ ist erstanden", 'Chrystus zmartwychwstał'). "... walczący pod nią (chorągiew królewska) rycerze podnieśli ją natychmiast... i pragnąc zetrzeć haniebną zniewagę, w najzaciętszy sposób atakują wrogów i rozbijają ich kompletnie"^[13]. Faza ta trwała 2-3 godziny.
• w IV fazie nastąpił atak odwodu 16 chorągwi wielkiego mistrza i walka w centrum i na lewym skrzydle polskim. Atak odwodów polskiej jazdy rozerwał zasadniczy korpus sił krzyżackich oraz umożliwił przeprowadzenie decydującego ataku odwodów lekkiej jazdy ukrytej w zaroślach. Nastąpiło okrążenie i klęska wojsk krzyżackich. Faza ta trwała ok. 1-2 godziny
• V fazą było zdobycie taborów i obozu krzyżackiego oraz pościg wyniszczający za uciekającymi wojskami krzyżackimi.

Bój trwał ponad sześć godzin i skończył się przed zachodem słońca. Przewagę na placu boju miały praktycznie cały czas (oprócz fazy III, kiedy nieco zaskoczone siły zbrojne unii polsko-litewskiej dały się zepchnąć do defensywy) wojska dowodzone przez króla Polski.

"Wiele bywało w owych czasach na świecie bitew i spotkań, ale nikt z żywych ludzi nie pamiętał tak straszliwego pogromu. Padł pod stopami wielkiego króla nie tylko Zakon krzyżacki, ale i całe Niemcy, które najświetniejszym rycerstwem wspomagały oną "przednią straż" teutońską, wżerającą się coraz głębiej w ciało słowiańskie^[24]".