Осажденные не ограничились обороной внутри стен крепости, но после полудня решились на вылазку, храбро атаковав лубенских (со стороны Азовского моря) и слободских казаков (от Сиваша). Начался ожесточенный бой, местами переходивший в рукопашную схватку. «Собравшися они, поганцы, многолюдством, турки и татары, и яныченя конные и пешие из города вышед и поза городом через Озовского моря, одни на полк наш Лубенской, а другие также через Гнилого моря (так в рукописи. — Авт.) на полки изюмские и харковские ударилися и чинили с нами бои силные, понеже смешавшися одни с з другими даже до ручного бою». Отписка Голицына совпадает с этим свидетельством практически дословно: «и того ж дни о полудни те неприятели турки и татаровя и яныченя многолюдством, конные и пешие из города и позад городом чрез моря Гнилое чинили вылоску и бой великой и многожды мешались одни з другими до ручного бою».

В конце концов казакам удалось обратить атаковавших в бегство: «помощию Божиею сломили тех поган и побили их самих и коней их много, и седши на них, бусурман, гнали до моря Озовского и Гнилого, где и сами поганцы утопилися». Так говорила реляция Свечки. Отписка Голицына характеризовала бой как победу в более торжественных тонах, отмечая, что «бусурман многих побили и в полон поимали, и в город вогнали, и в море потопили». Свечка не был столь оптимистичен. По его словам, это не остановило турок и татар, и они вновь атаковали казацкие порядки до самой ночи («а потом еще поганскою своею силою прибравшись, в том же часу выправився на нас, бой великой до самой ночи с нами чинили и так понудилися в таборы свои ночью отступити»).

Встретив такой отпор («видя нашу несилу») и видя «многолюдство великое» противника, Косагов и казацкая старшина устроили совет, решив отступить от крепости, тем более что в отрядах начался падеж лошадей, заканчивалось продовольствие («кормом и водою войску и конем зело было трудно, и много на том месте пали з голоду, морскими черепашинами и соленою водою коней третия часть пропала»). Переночевав, казаки 19 мая, на праздник Троицы, отступили от стен Горбатика, преследуемые противниками, которые, как писал Свечка, «чинили с нами бой великой мало что не по весь день и до самой Тонкой за нами шли». Придя к проливу, казаки встали на ночлег, послав на двух лодках («липах») несколько десятков человек на разведку через Сиваш, в близлежащие села. Там был захвачен пленный «з двемя робятками с его ж сыновьями». Он якобы слышал от татар, что «много турков, татар и яначан побиты под Горбатком», на помощь которому «много сил татарских идет». Обратная переправа свершилась «с велкою трудностию на возах, на бочках чинили себе перевоз, понеже судов мало было». Отписка Голицына излагала историю отступления от стен крепости более кратко.