8-9 травня татарська кіннота залишила Жовті Води і пішла в район зосередження на Інгулець (Кривий Ріг)Інгульці, де хан збирав усі сили для допомоги Богдану Хмельницькому.
Польський табір залишався в облозі козаків. Б. Хмельницький знав, що Дніпром проти нього йдуть не самі поляки, а реєстрові козаки, послані ними, тобто такі самі православно-руські люди, як і всі українці, лише зобов'язані службою польському королеві. І запорозький вождь зважився вплинути на їхні почуття, аби відірвати їх від поляків. Полишивши табір, Б. Хмельницький поспішив до правого берега Дніпра, до урочища Кам'яний Затон, куди ввечері 3 травня підійшли й пристали до берега реєстрові козаки. За допомогою таємних агентів Б. Хмельницький зумів пробудити у реєстрових козаків таку ненависть до поляків, що вони, ледь прийшовши до Кам'яного Затону, повстали проти поневолювачів українського народу, перебили своїх начальників Барабаша, Вадовського, Ілляша та інших (полковнику Кричевському, як особистому другу Хмельницького, зберігли життя і свободу), покидавши їхні тіла у Дніпро, і 4 травня об'єдналися з козаками, що стояли в таборі. До Жовтих Вод їх доставили на прохання Б. Хмельницького, кіньми Тугай-бея.
Вночі 15 травня польське військо вишикувалося для здійснення маршу до урочища Княжі Байраки в умовах козацького оточення не «табором» з возовою рухомою обороною, а в інший похідно-бойовий порядок — так званого «старого польського шикування». Це шикування мало вигляд великого, порожнього всередині кінного чотирикутника, готового з кожного боку до негайної кавалерійської атаки. С. Потоцький просунувся на 8-12 км уздовж урочища Княжі Байраки.
Тут на світанку була введена у бій Богданом Хмельницьким козацька піхота, яка застосувала проти рухомого польського табору польову артилерію, маневруючи гарматами за допомогою верхових коней. Втрати польського війська від цих атак були настільки великі, що це викликало занепокоєння у татар-союзників, які були зацікавлені захопити якнайбільшу кількість полонених.
Біля завчасно зробленого перекопу шляху польське військо було зупинено козацькою піхотою. Жовтоводську битву у результаті оточення та знищення противника піхотою і артилерією Богдана Хмельницького та кіннотою Тугай-Бея було закінчено у першій половині дня 16 травня 1648 р. у районі, обмеженому селами (назви сучасні) Попельнасте, Громівка, Холодіївка, Григорівка Дніпропетровської області. Командний пункт Богдана Хмельницького на кінцевому етапі битви перебував у Княжих Байраках (біля села Григорівка).
Так завершилася перша переможна битва Визвольної війни, що мала величезне політичне і воєнне значення. Важливим надбанням воєнного мистецтва Богдана Хмельницького у битві на Жовтих Водах є застосування передового загону, сформованого з татарської кінноти, для зупинки ворога і прикриття головних сил козацької армії. Також характерною особливістю битви стало застосування оперативного маневрування (з урахуванням просування військ) з метою створення вигідних умов для розгрому ворога, зокрема розгрому його по частинах, а також тактичного маневрування на полі бою, зокрема, вогнем артилерії.