Набагато серйозніше готувався до битви Хмельницький. Паралельно ще шукав можливості залагодити стосунки з Польщею. Але воєвода Кисіль, висланий на переговори, від імені Речі Посполитої не йшов на жодні поступки. Та й серед козаків поширювались настрої «громити і гнати ляхів».
Тож гетьман почав шукати таку місцевість для табору, де незручно почувала б себе польська кіннота, якої цього разу було багато. Таке місце знайшли біля містечка Пилява, на правому березі річки Іква. Табір був величезний і добре укріплений, квадратної форми з довжиною кожної сторони в один кілометр. Підходи до табору були або перекопані, або залиті водою, або чатувались козацькою піхотою. Для ворога була відведена територія лівого берега Ікви, з рівчаками з водою, болотистою місцевістю й чагарниками.
Армія Богдана нараховувала 110 тисяч, була більшою, ніж польська. Та половину його війська складали погано озброєні або й неозброєні селяни й міщани без бойового досвіду. Тому Хмель вирішив за всяку ціну виманити поляків до свого вигідно розташованого табору, виснажити їх, а потім татари, що мали підійти в другій декаді вересня, розбили б поляків ззаду.
План Богдана вдався. Поляки самі рвались до бою, побачивши табір, і комісари навіть заклалися між собою, що за добу ним заволодіють. «Кожний жовнір хотів бути ротмістром, ротмістр — полковником, а полковник — гетьманом», — писав Заславський. Але це було згодом, після ганебної поразки. Кожен поляк хотів розбити Богданове військо, і це не могло не призвести до неї.
Попереду і позаду табору Богдан викопав глибокі рови, а в районі боліт, через які наступала польська кіннота, виставив свою піхоту. Атаки нічого доброго для поляків не принесли, окрім значних втрат, бо пересуватись по болотах під ударами козацьких шабель було, м’яко кажучи, незручно. Згодом спіймані козаки твердили полякам, що на підмогу йде татарська орда числом 30 тисяч (хоча насправді там було тисяч із сім, не більше). Щоб надати вигадці більшої правдоподібності, Хмельницький ще й наказав переодягнути селян в татарське вбрання.
Основним центром бою була гребля Ікви. Двадцять третього вересня, коли польське командування віддало наказ замінити свої підрозділи на ній свіжими силами, Богдан одразу почав атакувати і піхотою, і гарматами. Була заскочена зненацька й розбита не одна рота польських кіннотників. Гетьман з військами захопив греблю й почав просуватись на лівий берег Ікви, де стояла основна частина польських військ.
Польське військо охопив відчай і розгубленість, а після отримання відомостей про прихід додаткових татарських військ — ще й паніка. Була скликана військова нарада, на якій було вирішено відступати. Спочатку планувалося вивезти табір з гарматами і піхотою, а вже потім з кіннотою. Але згодом комісари та регіментарі вирішили покинути піхоту напризволяще і виїхати з кіннотою, рятуючи свої життя.
Уночі жовніри дізналися, що залишились без свого військового керівництва. Про якийсь організований відступ вже не могло бути й мови. Як писали потім польські історики, «важко було описати ганьбу цієї ночі», коли тисячі людей кидали зброю, сідали на коней і залишали табір, втікаючи світ за очі.
Зранку табір був уже порожній. Богдан спочатку подумав, що це пастка, але скоро стало очевидно, що звідти просто повтікали «знатні лицарі» Речі Посполитої. Утікачі залишили гетьманові «в дарунок» тисячі возів з майном, зброю і коштовності.
Пилявецька перемога, вслід за жовтоводською і корсунською, засвідчила, що козацьке військо очолює людина з непересічним військовим талантом, яка вміє і знає, коли атакувати, а коли відступати. Перемоги різко піднесли авторитет Богдана серед козаків, а їхня відданість йому зросла ще більше.
Двадцять восьмого вересня козацьке військо залишило Пиляву, а 30-го об’єдналось із татарською ордою Крим-Гірея. Разом 2 жовтня вони захопили Збараж, а звідти вирушили на Львів. Там заховались польські комісари, котрі втекли з Пиляви. Вони обрали своїм зверхником Вишневецького і розпочали збір коштів з львів’ян для захисту міста. Проте, дізнавшись про наближення військ Хмельницького, вкотре показали себе боягузами й зрадниками: забрали собі гроші і 5 жовтня таємно покинули Львів. Орди Тугай-бея атакували передмістя, і місто було взяте в облогу. Тривала вона до 21 жовтня, коли міщани попросили не руйнувати їхнього міста та відкупились від гетьмана. Опісля Богдан вирушив із частиною кримських військ на Замостя.
Уже сама поява гетьмана і його підрозділів на західноукраїнських землях сприяла масовому повстанню міщан та селян Руського, Белзького, Волинського воєводств. На шляху до Замостя Богдану підкорялись (добровільно чи під силою) малі й великі міста: Жовква, Берестя, Белз та інші.