На опушке леса, прикрывающего Хотинские высоты, на турецком правом фланге стояли катаны (тяжелая конница) Колчака-паши, у подножия холма, на левом фланге, сипаги (легкая конница) молодого Генж-Али-паши. В тыл русским стягивалась полурегулярная татарская конница (ногайцы) под командованием аккерманского султана Ислам-Гирея; она должна была отрезать русским отступление. Ружейный огонь русских арьергардов держал ее на некотором расстоянии.
Окруженная таким образом, тревожимая и днем и ночью противником, русская армия простояла так двое суток и начала уже чувствовать недостаток в сене и дровах.
17 августа утром Миних приказал атаковать. Русское командование, давая время войскам отдохнуть два дня до боя, имело одновременно возможность изучить расположение неприятеля и заметить, что слабое место его позиции было на левом фланге, между главным лагерем главнокомандующего Вели-паши и легкой кавалерией Генж-Али-паши. По-видимому, турки не сочли нужным особенно укреплять это пространство, считая, что оно достаточно заграждено болотистыми берегами Шуланца. К тому же, Вели-паша растянул свой фронт почти что на 18 верст.
Соотношение же войск было следующее: на позиции Недобаевцы — Ставучаны Вели-паша стянул 70–80 тысяч человек, включая хотинский гарнизон почти целиком. С русской стороны приняло участие в сражении 33 823 человека регулярных войск и 8 тысяч нерегулярных. Турки располагали 70-ю орудиями, русские же имели 250 полковых и полевых орудий.
Миних, решивши атаковать неприятельский лагерь через его левый фланг, употребил сначала «воинскую стратагему» и сделал вид, что русские войска «якобы неприятельский ретрашамент атаковать хотели». Чтобы скрыть от неприятеля направление главного удара, Миних двинул со своего центра, через Шуланец, отряд подполковника Густава Бирона — 9 тысяч человек при 2-х полковых орудиях и бригаду полевой артиллерии. Турки, приняв это движение за фронтовое наступление всей русской армии, начали стягивать свои силы перед своим лагерем и укреплять его новыми окопами. Отряд Густава Бирона медленно продвигался по направлению к турецкому лагерю под прикрытием полевой артиллерии, перешедшей с ним Шуланец. Тот же Шуланец, изгибающийся слева от него к северо-западу, прикрывал его от возможной атаки конницы Колчака-паши.
В час дня Густав Бирон начал отступать и переправляться обратно за реку. Вели-паша решил, что Миних убедился в невозможности атаки и что победа уже намечается для турок. Колчак-паша дал об этом знать в Хотин. Но, как пишет Галем в своей книге «Жизнь графа Миниха», после этой радостной вести Колчаку самому скоро пришлось принести в Хотин другую — «весьма фатальную».
Одновременно с отступлением Густава Бирона правое каре русской армии под командою Карла Бирона двинулось на восток по направлении к дер. Долины. Артиллерия развернулась на высоте ближе к Долинам для поддержки наступавших. Одновременно саперные части исполнили блестящее действие: фашинами, шанцкоробами, досками, ветками они смогли укрепить переход через болотца у реки и навести 27 мостов через реку. Вся армия начала быстро переправляться и развертываться на левом берегу Шуленца: авангард Карла Бирона, гвардия Густава Бирона, «кордебаталия» А.И.Румянцева, левое каре Левендаля.
Быстро перетащив артиллерию, русские начали покрывать своим огнем турецкую пехоту и самый лагерь главнокомандующего, сбивая одновременно батареи, которые турки пытались поставить для защиты своего левого фланга. Несмотря на непрерывные нападения турок, русская пехота прорвалась к лагерю Вели-паши. В 5 часов дня 13 тысяч пеших янычаров двумя колоннами пошли в контратаку.
В записках Семена Порошина, гувернера Павла I, упомянуто, что 17 декабря 1764 года у Павла Петровича, тогде еще Наследника, обедал дежурный гвардии майор Любим Артемьевич Челищев, участник Ставучанского боя, случившегося 25 лет до того. Порошин пишет: «Еще сказывал тут Любим Артемьевич о порядке, каким образом они маршировали во время турецких оных походов и как атакуют турки. Янычары их, как известно, во время боя весьма легко одеты: туфли на босу ногу и в одних комзольцах, наступают бегом колонною, которая спереди фруту малова, а что далее взад, то шире, имеет фигуру трапеции».
Все современники пишут, что выдержать первый натиск турок очень трудно, и что их атаки холодным оружием были страшны: янычары бросались на противника с дикими криками и в состоянии исступления, доходящего до безумия. Но если такую атаку удавалось остановить, нанося атакующим сильные потери, то деморализация наступала очень быстро и уцелевших было очень трудно и даже невозможно снова собрать и повести в новую атаку.