После поражения у Казани армия Пугачёва, вновь возросшая до 10 тысяч человек, была настигнута правительственным отрядом подполковника Ивана Михельсона близ Чёрного яра у рыбацкой Солениковой ватаги. На рассвете 5 сентября 1774 года Михельсон приказал открыть огонь из всех имеющихся орудий по порядкам пугачёвцев. Понимая, что иного выхода у него нет, так как Михельсон перекрыл его армии все пути отступления на юг, Пугачёв решил принять бой.
После начала обстрела своих позиций орудиями правительственных войск глава восстания отдал приказ открыть ответный огонь из всех 24 имеющихся в его распоряжении пушек, находящихся под командованием казачьего полковника Фёдора Чумакова. Приказ был незамедлительно выполнен, и артиллерийская перестрелка продолжалась не менее 30 минут, пока царская кавалерия стремительным ударом не захватила мятежные батареи. Видя утрату артиллерии, Пугачёв приказал любой ценой отбить её у врага. Поэтому, пользуясь численным преимуществом, воодушевлённые Пугачёвым мятежники смело начали лобовое наступление на позиции правительственных войск. Однако, получив несколько картечных залпов практически в упор, нестройные ряды наступающих повстанцев начали отступление.
Пугачёв пытаясь остановить бегство своей армии с поля боя, сумел собрать несколько разрозненных отрядов и лично повёл их в бой. Однако одновременно ударившая по обоим флангам мятежников конница Михельсона опрокинула эту отчаянную атаку, после чего повстанцы фактически было разбиты на несколько отдельных частей вклинившимися между ними в нескольких местах отрядами конницы регулярных войск, а вскоре и вовсе оказалось в окружении. С фронта теснимые артиллерийскими залпами орудий правительственных войск, мятежники бежали назад и оказывались под саблями кавалеристов. Поняв, что поражение неизбежно, Пугачев и ещё около 200 повстанцев (в основном казаков) из его личной «гвардии» сумели в последний момент покинуть поля боя и, оторвавшись от преследовавших их не менее 40 вёрст конных отрядов Михельсона, бежать на юго-восток, за Волгу.
В результате сражения Пугачёв вновь фактически остался без армии. В бою погибли около 2000 мятежников, ещё 6000 были взяты в плен либо дезертировали. Среди погибших повстанцев оказался и один из ближайших соратников Пугачёва Андрей Овчинников.
