W tym dniu jednostki bułgarskie zostały wzmocnione i przegrupowane, przygotowując się do głównego natarcia. W przededniu natarcia, w kluczowym II sektorze linii obrony przewaga bułgarska przekraczała 3:1.
Ostrzał artylerii bułgarskiej, który 5 września rano skierowano na główne forty rumuńskie, spowodował zniszczenie dwóch obiektów i opuszczenie ich przez załogi. Mimo ciężkich strat wśród atakujących do 13.00 oddziałom bułgarskim udało się opanować większość fortów, znajdujących się na głównej linii obrony. Większość oddziałów rumuńskich w obawie przed okrążeniem w panice opuszczała swoje pozycje. Do wieczora 5 września w rękach rumuńskich pozostał tylko jeden fort, osłaniany przez artylerię z wysp i jednostki floty dunajskiej. Próba zbudowania kolejnej linii obrony 6 września nie powiodła się i gen. Teodorescu nakazał odwrót.
Straty thumb|250px|Cmentarz żołnierzy bułgarskich w Tutrakan W czasie bitwy pod Turtucaia aż 34 tys. żołnierzy rumuńskich zginęło lub dostało się do niewoli. Zaledwie 4000 spośród nich podjęło udaną próbę przedostania się na drugą stronę Dunaju lub do Silistry. Bułgarzy zagarnęli całą artylerię garnizonu, a także dwie baterie bułgarskie, które pozostały w Turtucaia jako zdobycz z II wojny bałkańskiej.