Po okresie ostrzału artyleryjskiego wojska rosyjskie 15 sierpnia ruszyły do generalnego szturmu. Brak jednolitego dowodzenia sprawił, że poszczególne oddziały działały na własną rękę. Gordon zdobył nawet jeden z azowskich bastionów, jednak Lefort i Gołowin spóźnili się z pomocą i walczące w osamotnieniu siły Gordona musiały opuścić bastion. Ostatecznie rosyjski szturm załamał się w ogniu dział tureckich. Rozmiar rosyjskiej klęski powiększył niespodziewany atak jazdy tureckiej na rozłożony obozem pułk Leforta.
Przez cały okres oblężenia Rosjanie nękani byli dotkliwie przez wycieczki ruchliwej jazdy tatarskiej, która kilka razy w tygodniu atakowała siły oblężnicze.
Ostatni szturm przeprowadzono 5 października – także i tym razem zakończył się on klęską Rosjan. Cztery dni później podjęto decyzję o odwrocie. Piotr Wielki wrócił do Moskwy 2 grudnia.
Nieudana wyprawa przyniosła jednak pewne korzyści - w dwóch zdobytych forteczkach nad Donem pozostawiono silny garnizon liczący 3 000 żołnierzy, a prowadząca działania osłonowe armia Szeremietiewa zdobyła 4