11 июля выстроившаяся в боевой порядок армия Делагарди и Скопина-Шуйского подошла к Твери. Шел дождь, солдаты прикрывали полами курток замки своих тяжелых мушкетов от потоков воды, ворча, что в такую погоду нужно не воевать, а отсиживаться в палатках. Наемники не пылали желанием сражаться еще и потому, что обещанную плату задерживали — царь задолжал им почти за два месяца. Делагарди знал об этих настроениях, но у него были и другие причины для беспокойства. Несколько дней назад гонец доставил свежую почту из Стокгольма. Обычная подозрительность короля Карла IX достигла новых высот из-за жалоб посланца Скопина-Шуйского, которому он дал аудиенцию 22 июня. Русские жаловались, что вспомогательное войско прибыло позже договоренного времени, изменяло назначенный царем маршрут, грабило крестьян, бесчестило святыни, не торопилось на помощь Москве. Король все эти претензии отверг, сделав единственный вывод: царь не желает выполнять взятые на себя обязательства. Он писал Делагарди, чтобы тот не шел на Москву, пока русские не передадут Швеции, как обещано, Кексгольм и не заплатят сполна войску. Вообще не стоило углубляться в Россию с такими малыми силами, куда полезнее было, по мнению монарха, захватить на границах со Швецией несколько русских крепостей, присягнувших самозванцу. За них потом можно будет хорошо поторговаться с царем.
Так стоило ли вопреки королевским рекомендациям открывать замок на московских воротах — брать Тверь? Однако Скопин-Шуйский настаивал на сражении, он уверял, что деньги на плату войску подготовлены, но они находятся в Москве. Кексгольм также вот-вот будет передан шведскому королю. Соображения рыцарской чести перевесили. Делагарди решил дать бой. Он лично возглавил финскую конницу, размещенную на правом фланге. В центре располагалась немецкая пехота. С левого фланга ее прикрывала французская кавалерия. Не слишком надеясь на боевую мощь русских ополченцев, Делагарди поместил их в арьергарде. Они могли пригодиться для преследования отступающего противника и охраны обоза.
Сражение началось с мелких кавалерийских стычек, так называемых «гарцев». Затем Делагарди перешел со своими финнами в атаку, смяв легкую кавалерию и пехоту противника. По плану сражения одновременно слева должна была ударить французская кавалерия, но она обратилась в бегство. Ее атаковали грозные летучие гусары, воспользовавшись тем, что дождь перешел в ливень. Шведская пехота не могла прикрыть французов стрельбой из мушкетов — оружие давало осечки. Победу в тот день праздновали архаичные луки, которыми были вооружены казаки, сражавшиеся на стороне самозванца. Они осыпали наемников Делагарди тучами стрел, от которых нечем было укрыться: щиты давно ушли в прошлое из арсенала западных солдат.
Так успешно начавшееся сражение грозило превратиться в разгром объединенного войска. Обратившаяся в бегство французская конница смяла стоявших в арьергарде русских ополченцев, и те, решив что все кончено, принялись грабить обоз. Когда впоследствии шведские наемники попытались провести инвентаризацию своего имущества, оказалось, что считать нечего: они лишились не только трофеев, но и одежды, которую рассчитывали надеть взамен той, что изорвалась и насквозь промокла в сражении.
На ночном совещании Скопин-Шуйский и Делагарди обсуждали, что предпринять дальше. Русский полководец, подводя неутешительный итог первого дня (одних лишь русских погибло несколько тысяч), склонялся к отступлению в одну из ближайших крепостей. Делагарди настаивал на продолжении битвы. Он считал, что противник, уверенный в своей победе, потерял бдительность, кроме того, когда небо прояснится, поляки испытают на себе силу залпового мушкетного огня шведов. Мнение Делагарди перевесило. Весь следующий день лило как из ведра, и противники не выходили из палаток. Дождь прекратился лишь под утро 13 июля.
За час до рассвета соединенное войско, выстроенное полукольцом, стараясь не греметь амуницией, начало приближаться к спящему польскому лагерю. Атака была столь неожиданной, что поляки, действия которых были ограничены обозом, не смогли оказать организованного сопротивления. Через три часа они побежали, преследуемые конницей во главе со Скопиным-Шуйским. Русские, по словам находившегося в польском стане пастора Мартина Бера, «с таким мужеством ударили на поляков, что Зборовский не мог устоять; покрытый стыдом, потеряв многих воинов, он удалился в тушинский лагерь».