Командование уральских казаков, готовя рейд на Лбищенск, чтобы разгромить штаб дивизии и уничтожить или пленить Чапаева, вероятно, сыграло на том, что начдив-25 сражался с уральцами с апреля по декабрь 1918 года и считал себя знатоком тактики противника. Небольшие налеты, в результате которых казачьи разъезды захватили несколько десятков красноармейцев из обозов и других тыловых служб, могли вызвать уверенность, что в станице нет крупных боевых частей противника, притупить бдительность дозорных, разведчиков, штаба и даже самого Чапаева. В августе 1919 года, после оставления Лбищенска и отхода на юг, белые захватили двух ординарцев 25-й дивизии, выяснили расположение штаба Чапаева и отчасти — планы красного командования. Кроме того, казаки разгромили обходную колонну красных, наступавшую на хутор Каленый, и захватили более трехсот пленных, десять пулеметов и два орудия. Один из захваченных красноармейцев вызвался показать казакам наиболее удобный, минующий посты и дозоры, путь от окраин Лбищенска к его центру.
Для удара по Лбищенску, пишет историк Сергей Балмасов, были выделены 2-я кавалерийская дивизия полковника Тимофея Сладкова и Поздняковский пехотный полк, сформированный из крестьян Саратовской и Самарской губерний. Группу возглавил опытный генерал Николай Бородин. Группа насчитывала около 1200 человек, девять пулеметов и два орудия. Казаки стремились действовать максимально бесшумно, они даже обмотали мешковиной копыта лошадей, в колонне было запрещено курить. Чтобы избежать обнаружения с воздуха, дневки казаки устраивали в глубоких впадинах, которые охранялись хорошо замаскированными дозорами. Безрезультатные поиски аэропланов и спокойная в целом обстановка на коммуникациях укрепили уверенность Чапаева в отсутствии крупных сил противника вблизи Лбищенска. Начдив и его окружение приуменьшили масштаб угрозы со стороны противника и недооценили возможность внезапного удара казачьей конницы. Чапаев не создал серьезных резервов, способных отразить неожиданный удар противника. Отчасти причина была в напряженных боях, которые вела дивизия, начдиву было сложно вывести один-два полка с передовой: стрелковые и кавалерийские части существенно поредели в сражениях. Можно предположить также, что Чапаев после успешных кампаний против казаков обрел излишнюю уверенность в собственной непобедимости и неуязвимости. Эта самонадеянность вместе с нарушением фундаментальных принципов военного искусства (необходимость иметь резерв и серьезное прикрытие штаба при маневренных действиях в отсутствии сплошного фронта) дорого стоили и ему лично, и Красной армии. Недостаточное прикрытие штаба, слабая разведка и низкая бдительность дозорных стали главными причинами серьезного поражения 25-й дивизии и всей группы. Слабо прикрыта была и посадочная площадка, где находились авиаотряды, охрана аэродрома была малочисленной, дежурного летчика не было, а бóльшая часть личного состава находилась в Лбищенске.
В ночь на 5 сентября 1919 года казаки и солдаты Поздняковского полка бесшумно сняли часовых, вырезали посты на окраинах и проникли в центр станицы. Уточнив расположение красных и отрезав аэродром от летчиков и мотористов (взлетевшие аэропланы могли нанести большой урон отходившей коннице), белые открыли огонь и подняли панику среди бойцов и командиров тыловых подразделений.
Реальный бой в станице разительно отличался от картины, описанной Фурмановым и перекочевавшей в киноленту. Как вспоминали оставшиеся в живых белые участники того боя, Петра Исаева захватили в плен ранним утром, поэтому он никак не мог пойти на выручку начальнику дивизии. Не было и конной атаки на штаб дивизии — одной из ярких сцен заключительной части легендарного кинофильма.
Разрозненные группы красных, разбуженные выстрелами, пытались сопротивляться и наладить взаимодействие. Вооруженные лишь винтовками и несколькими пулеметами бойцы инструкторской школы и тыловых подразделений стремились найти командиров, но, как правило, легко обезвреживались казаками. Первые часы боя казаки вообще не брали пленных и только затем стали выводить их в резерв.
По данным белых, они уничтожили около 1500 красноармейцев и командиров, взяли в плен около восьмисот человек, потеряв убитыми и ранеными менее 120 человек. Такое соотношение потерь выглядит сомнительным, даже учитывая внезапность нападения и слабость боевой подготовки большей части гарнизона Лбищенска. Тем не менее штаб и тыловые подразделения 25-й дивизии были разгромлены, занявшим поселок белым достались значительные трофеи: аэропланы, боеприпасы и обмундирование. Вскоре, пишет Сергей Балмасов, в Лбищенск вошли красные курсанты и карательный «отряд особого назначения», печально «прославившиеся» при расказачивании, а также обозы и тыловые части 25-й дивизии. От неожиданной встречи с казаками они растерялись, не успели оказать существенного сопротивления и практически сразу были захвачены в плен. Курсанты и «отряд особого назначения» были почти полностью изрублены шашками.