Битва состоялась на юге современной Молдавии (между городом Вулканешты и селом Гречень). В ней русская армия, насчитывавшая не более 32 тысяч человек при 118 орудиях, наголову разгромила османскую армию численностью 150 тысяч человек при 140 орудиях.
Одной из особенностей русско-турецкой войны 1768—1774 гг. было количественное превосходство турок в силах перед русскими войсками, главным образом в лёгкой, нерегулярной кавалерии. Поэтому, зачастую основной формой боевого порядка русских войск было каре — четырёхугольное построение, при котором пехота могла вести боевые действия даже при полном окружении и отражать атаки конницы. Другой особенностью конфликта были слаженные и эффективные действия русской артиллерии, которая своим огнём успешно подавляла турецкие батареи и во многом сводила на нет численное превосходство султанских войск перед русскими воинскими частями.
Турки заметили неподвижность армии Румянцева, но думали, что она происходит от осознания собственной обречённости. В 10 часов утра 20 июля турецкая армия снялась со своей позиции и двинулась к селению Гречени. Румянцев наблюдал это движение с высокого холма. При виде турецкой армии, остановившейся к вечеру в двух верстах не доходя Траянова вала и выбирающей позицию, Румянцев — несмотря на малочисленность своей армии, в которой после отвлечения до 6 000 человек на прикрытие обозов оставалось всего 17 000 человек — сказал окружавшему его штабу: «если турки осмелятся в этом месте разбить хоть одну палатку, я их атакую в эту же ночь».
Турецкая армия разбила свой лагерь в семи верстах от русских войск, на левом берегу реки Кагул близ её устья. После рекогносцировки русской позиции 19 июля визирь составил следующий план атаки: имитируя наступление на центр русской армии, все главные силы устремить на левое крыло, стараясь опрокинуть русских в реку Кагул. При звуке выстрелов крымский хан должен был перейти реку Сальчу и всеми своими силами ударить с тылa. По сведениям, полученным от пленных, визирь и хан планировали атаку на 21 июля.
Румянцеву было необходимо атаковать турок прежде, чем татары успеют напасть с другой стороны. Поэтому в час ночи на 21 июля русские войска выступили с позиции и, соблюдая тишину, проследовали к Траянову валу. Во время этого движения в турецком лагере произошла ложная тревога со стрельбой, но затем вновь восстановилось спокойствие. На рассвете русская армия перешла Траянов вал и выстроилась в линии. Когда турки заметили атакующих, они приказали своей многочисленной коннице атаковать, растянувшись перед всем русским фронтом. Российские каре остановились и открыли огонь. Особенно эффективен был огонь батарей Мелиссино. Когда артиллерия отбила атаку на центр, турки переместили удар вправо для усиления атаки на колонны генерала Брюса и князя Репнина. Воспользовавшись лощиной между этими каре, турки окружили их со всех сторон. Тогда же часть турецкой конницы, воспользовавшись другой долиной, пересекла Траянов вал и ринулась в тыл каре Олица. Выполнив этот манёвр, османы засели во рву вдоль вала и открыли по войскам Олица ружейный огонь.
В это время Румянцев отправил резервы из атакованных колонн для занятия лощины и создания угрозы турецким путям отступления к лагерю и ретраншаментам. Этот манёвр удался: турки, боясь потерять пути отступления, бросились из лощины к ретраншаменту под картечным огнём русской артиллерии. При этом остальная турецкая конница, атаковавшая каре на правом и левом флангах, также поспешно отступила. Неуспех сопутствовал туркам и на левом их фланге, где генерал Баур не только отбил атаку, но и перешёл в наступление и под огнём успешно штурмовал 25-пушечную батарею, а затем захватил и ретраншамент, овладев 93 орудиями.
Отразив турецкую атаку, русские войска в 8-м часу утра двинулись к главному ретраншаменту турецкого лагеря. При подходе русских войск турки открыли огонь по каре генералов Олица и Племянникова. При подходе каре Племянникова к ретраншаменту, около 10 000 янычар спустились в лощину между центром и левым флангом укрепления и ринулись на каре, ворвались в него и смяли некоторые части. Каре было расстроено, янычары захватили два знамени и несколько зарядных ящиков, русские солдаты спасались бегством, пытаясь укрыться в каре генерала Олица и тем приводя его в беспорядок. Заметив это и опасаясь за участь каре, Румянцев обратился к принцу Брауншвейгскому, бывшему поблизости и спокойно сказал «Теперь настало наше дело». С этими словами он поскакал из каре Олица к бегущим войскам Племянникова и одной фразой, «Ребята, стой!», удержал бегущих, которые остановились и сгруппировались около Румянцева. Одновременно по янычарам открыла огонь батарея Мелиссино, с двух сторон их атаковала кавалерия, а генерал Баур, уже вошедший в ретраншамент, отправил от себя батальон егерей для атаки янычар слева и для продольного обстрела рва перед ретраншаментом, в котором также засели янычары. После замешательства, произведённого взрывом зарядного ящика, 1-й гренадёрский полк бросился в штыки. Янычары были обращены в бегство, кавалерия стала их преследовать. В это же время каре были приведены в порядок, фланговые колонны заняли весь ретраншамент и отбили захваченные турками знамёна. После потери укреплений, артиллерии и обозов турки увидели, что корпус князя Репнина заходит им в тыл, в 9 часов утра оставили лагерь и обратились в бегство под фланговым огнём корпуса Репнина.
По утверждению А. Н. Петрова, Иваззаде Халил-паша с саблей в руке пытался остановить бегущих, но все его слова пропадали даром. Увещевания великого визиря продолжить бой во имя пророка Мухаммеда и султана Мустафы III также не имели успеха. Объятые паникой османские воины кричали в ответ Иваззаде Халил-паше: «Нет сил сбить русских, которые поражают нас огнём, как молнией». Находившийся позади султанского войска Мустафа-паша рубил отходящим уши и носы, но и это средство не смогло прекратить беспорядочное бегство турок.
Вскоре после начала панического отступления османы наткнулись на отряд анатолийских воинов, включавший в себя преимущественно курдов. Этот отряд утром 21 июля выдвинулся из Картала на подмогу Иваззаде Халил-паше. Заметив обращённых в бегство турок, выступившие из Картала воины вместо помощи принялись безжалостно их грабить, тем самым внося ещё больше хаоса и беспорядка в разгромленное османское войско.
Усталость солдат, бывших на ногах с часу ночи, не позволила русской пехоте продолжать преследование в день сражения далее четырёх верст, после чего преследование продолжалось кавалерией. По окончании сражения Румянцев занял позицию позади бывшего турецкого лагеря.
Вскоре преследование турок продолжилось, но на этот раз уже вне поля сражения. Для выполнения этой задачи в долине Кагула Румянцевым был выделен корпус Бауэра. 2 августа преследователи заняли старый османский лагерь, расположенный в 20 верстах от места генерального сражения. 3 августа корпус Бауэра достиг Картала, где обнаружил переправляющиеся на другой берег Дуная остатки войска великого визиря. Хотя в распоряжении турок находилось более 300 судов, на месте переправы царил полный беспорядок. Оказавшись у пункта посадки на суда, Бауэр быстро оценил ситуацию и принял решение атаковать османов. Для этой цели генерал-квартирмейстер выстроил свои войска единым фронтом, центр которого был образован пехотными каре, а фланги — кавалерийскими частями. В таком порядке корпус Бауэра решительно атаковал турок, нанеся им очередное поражение и таким образом довершив разгром войска Иваззаде Халил-паши. После боя возле переправы победители захватили весь находившийся у реки обоз, артиллерийскую батарею в 30 пушек, а также более тысячи пленных.
После завершения битвы при Кагуле войско крымского хана отступило к Измаилу, но, столкнувшись с неудовольствием местного населения, которое не желало привлекать к себе внимание русской армии, татары были вынуждены отойти к Аккерману. В соответствии с обстановкой Румянцев принял решение начать преследование и в направлении Измаила — для этой цели был послан отряд генерала Осипа Игельстрёма. Войска Игельстрёма выступили в поход в одно время с корпусом Бауэра и в скором времени овладели мостами в устье реки Ялпух у деревни Тобака, а также отошедшим в этот район обозом. 23 июля к Измаилу выступил корпус Репнина, усиленный подразделениями под командованием Потёмкина. 6 августа войска Репнина взяли Измаил, после чего двинулись дальше, последовательно захватывая оставшиеся в распоряжении турок опорные пункты на Нижнем Дунае.
Русские трофеи состояли из ста сорока пушек на лафетах со всеми принадлежностями, всего турецкого багажа, обозов и лагеря. Даже денежная казна визиря была оставлена в ходе битвы, но казаки или арнауты успели разграбить её до того, как об этом узнало начальство. Румянцев велел отыскать захвативших казну, но безуспешно. Потери турок были велики: только на поле перед ретраншаментом и в лагере было собрано 3 000 убитых. На пути отступления на расстоянии до семи вёрст лежали груды тел. По «умеренному счёту» турки потеряли до 20 000 человек. Российские потери составили: убитыми 353 человека, без вести пропавшими 11, ранеными 550 человек. В донесении о победе, отправленном с бригадиром Озеровым, 1-й гренадерский полк которого решил победу, Румянцев написал:
«Да позволено мне будет, всемилостивейшая государыня, настоящее дело уподобить делам древних Римлян, коим ваше величество мне велели подражать: не так ли армия вашего императорского величества теперь поступает, когда не спрашивает, как велик неприятель, а ищет только, где он.»
Успех Румянцева вызвал восхищение современников. Екатерина II в своём рескрипте отметила:
«Одно ваше слово «стой!» проложило путь новой славе, ибо по сие время едва ли слыхано было, чтоб в каком-либо народе, теми же людьми и на том же месте вновь формировался разорванный однажды каре, в виду неприятеля, и чтоб ещё в тот же час, идучи вперед, имел он участие в победе.»
Не менее лестно было и письмо короля Фридриха Великого к Румянцеву с поздравлением.
