В польській армії недооцінювали свого противника. Корсунські уроки нічому не навчили гонористу шляхту. Самовпевнені пани зневажливо говорили, що їм навіть шкода орудувати зброєю, бо щоб розбити «хлопів», вистачить «канчуків і нагаїв». Дізнавшися про виступ польського війська, Хмельницький за короткий строк мобілізував бойові сили України й сформував 35 козацьких полків і кілька селянських загонів. Близько 70 тисяч козаків, селян і міщан об'єднував під своєю булавою український гетьман. Армія Богдана Хмельницького значно поступалась перед поляками якістю озброєння та кількістю кінноти, але бойовим духом, своєю організацією, командним складом незмірно підносилася над шляхетською.
Козацький гетьман розмістив своє військо в зручній для нього місцевості, далеко від ріки — на рівнині. Щоб зблизитися з ним, противник мусив був пройти берегом Пиляви, що розлилася від осінніх дощів. Нерівна, горбкувата місцевість, порізана струмками та озерами, вкрита осінньою багнюкою, неминуче повинна була утруднити як просування та зосередження військ, так і встановлення табору та спорудження земляних укріплень. Коли ж згадати, що однією з переваг польської армії була її кіннота, то стане зрозуміло, що в подібних топографічних умовах використати повною мірою свою перевагу шляхетська армія не могла.
Майже наосліп рухалось польсько-шляхетське військо. Командування його не мало інформації ні про сили та стан українського війська, ні про плани та задуми Богдана Хмельницького. Польські роз'їзди, як і в попередніх боях, не могли дістати «язика» або зібрати будь-які відомості у місцевого населення. Народ не хотів давати інформацію ворожій армії. На противагу цьому розвідка в повстанському війську була добре налагоджена.
9 вересня польська армія підійшла до Пиляви. Два дні закладався просторий табір на незручній місцевості — пересіченій заболоченій території. Підступити до козацької армії польське військо могло тільки через земляну греблю, що з'єднувала обидва береги ріки. Хмельницький наказав викопати шанці на греблі. Бій за неї тривав цілий день. І тільки ввечері польська піхота й великі з'єднання кінноти змусили відступити захисників греблі до козацького укріпленого табору.
13 вересня військо Хмельницького, вирушивши проти польського табору, зав'язало бій із польською кіннотою, атакуючи водночас і польську піхоту, яка засіла в шанцях на березі. Атаку підтримували з табору козацькі гармати, що безнастанно обстрілювали греблю, перешкоджаючи переправі польських підкріплень із протилежного берега. Після першого штурму Мазовецький полк, що перебував у цьому редуті, втік. Сандомирський полк уперто захищався. Одначе й він не витримав натиску козаків і мусив залишити редут. Увесь цей полк був розсіяний. За першим редутом козаки захопили другий, витиснувши звідти кіннотні й піхотні частини та захопивши артилерію. Дезорганізація в польському війську досягла крайньої межі. Накази командуючих не мали ніякої сили. Начальники корогов під тим чи іншим приводом відмовлялися вести в бій свої загони. Польські війська відступили в напрямі Старокостянтинова.
Козаки продовжували свій переможний наступ і вночі. Це викликало паніку в польсько-шляхетському війську, воєначальники якого вирішили залишити табір, кинути обоз і відступати верхи. Почався не відступ, а нестримна панічна втеча. Першими, потай від війська, втекли головнокомандуючі, за ними кинулися комісари й начальники корогов. Помітивши це, кинулася тікати кіннота, залишаючи зброю та припаси. Кинуто було все: прапори, гармати, вози, яких нараховувалось кілька десятків тисяч, багате майно. «Страх і жах перед козацьким військом гнав утікачів», — свідчив один польський шляхтич. Деякі зупинилися тільки біля самої Вісли.
Козацький полководець діяв усупереч стратегії й тактиці західноєвропейських армій. В них панувало прагнення до оборони та облоги фортець і ухиляння від битв, оскільки це завдавало великих втрат найманим військам, що дорого оплачувалися. Хмельницький не витрачав часу й не розпорошував сили на облогу фортець. Перемоги у війні він добивався польовими боями, йшов прямо до головної мети — зав'язати бій з основними силами противника й розгромити їх.
Влітку 1648 р. українська армія пішла в рішучий наступ проти польсько-шляхетського війська, хоча в тилу залишалися ще в руках ворога фортеця Кодак і ряд замків на литовському кордоні. Водночас перемога під Пилявцями дала змогу визволити Волинь і Поділля, й жодне укріплене місто вже не чинило опору козацькій армії. Після Пилявецької битви Хмельницький не чекав наслідків облоги Кам'янця, Бродів та інших фортець, а продовжував похід, залишивши позаду укріплений Львів і виступивши на Замостя.