Третього вересня всі зайняті попередньо турецькими військами підгір'я вкрилися білими наметами. Турецькі частини поступово розгорталися в північному та північно-східному напрямку, оточуючи з усіх боків польсько-козацький табір. У дію були введені, крім учорашніх сил, ще вісім тисяч яничарів і три тисячі спагів із султанської гвардії. І знову всю енергію та силу своїх військ турки скерували проти козаків. Дві години тривала інтенсивна артилерійська підготовка, але вона не мала успіху, оскільки більшість ядер падала далеко за лінією укріплень. Захищені в окопах запорожці зазнали невеликих втрат.
Коли турки, вирішивши, що козаки вже цілком знищені, піднімалися в атаку, козаки з шаблями в руках вискакували з окопів їм назустріч, кидалися в контратаки, давали відсіч нападникам. Це повторювалося тричі. Козаків підтримував воєвода Вейхер, який через річку з трьох гармат громив атакуючих турків. Нарешті козаки востаннє піднялися проти ворогів. Турки контратакували, але на допомогу кинулися поляки. Спільно з ними запорожці й цього разу здолали нападників. Запала темрява — бій припинився. Загинуло кілька десятків козаків, серед них один полковник. Турецькі втрати були значно більшими — понад двісті вбитими. Серед забитих був беглербей Боснії. Козаки захопили у ворога чотири гармати, багато різної зброї й кілька полонених.
Четвертого вересня у вранішній імлі з усіх гармат турецької артилерії почався обстріл козацьких позицій. За дві години було випущено до тисячі ядер, але й на цей раз без значного ефекту. Більшість ядер перелітала окопи, де укрилися козаки, й падала у хвилі Дністра. Проте загинуло багато коней. Цей третій наступ був найсильнішим. Шість годин атакували сили нападаючих козацький табір. Після артилерійської підготовки спочатку вдарили яничари, їх відбили. А потім, як морські хвилі, раз у раз накочувались на козацький табір ворожі війська. На кожну атаку козаки, керовані Сагайдачним, відповідали інтенсивним рушничним вогнем і рішучою контратакою. Три шалених штурми відбили козаки, їм допомагала литовська кіннота, котра трощила ворога фланговими ударами, а також німецька і угорська піхота, яку надіслав на підмогу Ходкевич. Увечері турки знову підійшли до козацьких позицій і почали кидати жмути запаленої соломи, прагнучи підпалити табір. А згодом, під прикриттям темряви, почали новий штурм.
Відбиваючи цей, четвертий, штурм ворожих сил, козаки під проводом Сагайдачного перейшли до наступу. Козацький гетьман, який узагалі, на противагу стратегії пасивної оборони феодальних армій, розвивав далі козацьку наступальну стратегію концентрованого раптового удару й маневрену динамічну тактику, блискуче реалізував ці принципи в Хотинській битві, піднявши на новий високий щабель українське військове мистецтво. Відбивши атаку, козаки погнали ворога й, переслідуючи, вдерлися у ворожий табір, захопили чотири гармати, п'ять наметів, багато коней, одягу, амуніції, зброї, полонених, серед яких і кілька турецьких воєначальників.
Французький історик першої половини XVII ст. М. Бодьє писав: «Козаки з такою сміливістю переслідували турків, змітаючи все на своєму шляху, що прорвалися майже до наметів і стягів султана». Поява запорожців серед султанських наметів викликала паніку в османських військах. Настав рішучий момент, який міг принести цілковиту перемогу й покласти кінець війні. Але гінці, яких Сагайдачний посилав до Ходкевича, просячи допомоги й пропонуючи виступити усіма силами, поверталися ні з чим. Ходкевич відмовився ввести в бій свої війська, посилаючись на пізній час. Сучасники, а згодом дослідники-історики намагалися зрозуміти й пояснити цю поведінку польського командуючого. Мабуть, не останнє значення мало те, що Ходкевич під впливом сеймових комісарів дотримувався концепції позиційної війни і стратегії пасивної оборони. Бодьє зробив висновок: «У цій битві козаки розгромили б турецьку армію, якби принц Владислав і польський генерал Ходкевич не наказали їм відійти, замість того, щоб самим приєднатися до козаків».
Сагайдачному довелося відводити своїх звитяжців назад під вогнем батареї з 12 гармат і натиском контратаки всіх сил правого крила турецької армії. Козакам довелося відступити з великими втратами. Це був найкривавіший день у Хотинській битві. 800 чоловік втратили козаки. Турки — втричі більше. Але це був, безперечно, величезний успіх козаків, керованих їхнім гетьманом. Розлючений невдачею, Осман II кричав, що він не їстиме, не питиме доти, поки йому не приведуть того «сивого пса Сагайдачного».
Упродовж усієї Хотинської війни козаки приймали на себе основний тягар турецьких атак. На чолі зі своїм гетьманом вони відбили всі дев'ять штурмів, п'ять із яких були спрямовані безпосередньо й виключно на козацький табір, що являв собою недоступну фортецю.
Жодного разу ворог не зміг проникнути за його вали.
Водночас Сагайдачний, котрий не раз водив запорожців на турецькі фортеці, віддаючи перевагу наступальній стратегії й тактиці, намагався випереджати турецькі штурми. Так, у ніч із шостого на сьоме вересня гетьман організував могутній виступ, яким почав серію нічних рейдів, що мали на меті знищення противника, здобуття продовольства та інших трофеїв, деморалізацію турецької армії. У нічних рейдах, які завдавали великих втрат турецьким військам і викликали серед них паніку, з особливою силою виявилася динамічна тактика запорозьких козаків, їхня ініціативність й активність, вміння максимально використовувати фактор раптовості. З ініціативи Сагайдачного питання впровадження нічних атак спеціально розглядав польський сейм.
Наприклад, козаки здійснили такий рейд 12 вересня. В дощову ніч Сагайдачний повів козаків на султанські позиції. У нічній темряві десять тисяч козаків підкралися до турецького табору. Знявши безшумно сторожу, запорожці увірвалися в намети. В турецькому таборі виникла паніка. Тікали кудись напівроздягнені яничари і спаги. Тільки й чути було лякливий крик: «Козаки, козаки!» Коли турецькі командуючі трохи отямилися, почалася безладна стрілянина. Захопивши великі трофеї, козаки організовано відійшли. Загін, залишений Сагайдачним, прикривав відхід Запорозького Війська. Цей загін прийняв на себе удар армії великого візира Хусейна-паші, що зробив невдалу спробу наздогнати війська Сагайдачного.
Козацький гетьман організував рейди 17, 18, 19, 22, 24, 25 вересня, які, за винятком одного, були успішними, козаки захопили численні трофеї.
Українському полководцеві належала найвидатніша роль у Хотинській війні. Слабий після поранення, козацький гетьман завжди діяв наполегливо, рішуче. Від ранку до ночі, а під час рейдів і вночі був на ногах, керував військом, втручався в кожну дрібницю, бував на військових нарадах у коронного гетьмана, сам перевіряв варту.
28 вересня султан вирішив зробити ще один, останній штурм, зосередивши для нього абсолютно всі сили, вводячи максимум резервів. У таборі залишилося лише дві тисячі спагів і чотири тисячі яничарів особистої султанської варти. Ще вночі турки встановили чотири батареї. Найбільша, що складалася з 40 гармат, обстрілювала супротивника з-за Дністра. Другу встановили (біля мосту, третю — навпроти шанців німців Денгофа, четверту — біля брами, де розміщені були польські коронні війська.
У вранішній час турки й татари провели розвідувальні дії. Відігнані від шанців, вони переконалися в дієвості вартової служби польсько-козацького табору. Коли розвиднілось, гармати почали бити, ядра летіли з чотирьох боків. Загалом було випущено 1500 ядер, із них 500 — із батареї за Дністром. Артилерійський шалений обстріл дещо відтіснив козаків від лівого берега Дністра, з чого скористалися (гагари, вплав перебравшися через річку. Але запорожці, підтримані німецькими частинами, перейшли в контратаку й примусили ворога на деякий час припинити гарматний вогонь і дещо відступити вглиб лівого берега Дністра. На правий фланг обрушилися основні сили, й артилерійська канонада відновилася. Очевидець описує: «Більш як 60 гармат гриміли безперестанно».
Після артилерійської підготовки почався штурм. Спаги й татари за Дністром відвертали увагу, загрожуючи переправою, в той час як на правий фланг обрушилися головні сили. Рядових воїнів підганяли сотники. Спаги, які спішились, несли перед собою снопи соломи, захищаючись від куль. Після дев'ятої атаки турки увірвалися на вали польських позицій, але були зустрінуті вогнем із гармат, що їх заряджали, коли закінчилися запаси ядер, шматками заліза й скла. Турки відступили під натиском угорських, польських, українських воїнів.
