30 июля войско калги и Петрика (20 тыс. татар и около 2 тыс. казаков[943]) переправилось через Самару, разбив кош в двух верстах от Новобогородицка. Вновь последовали попытки отдельных казацких и крымских отрядов, подъезжая под город, взять языков. Неплюев посылал «за вал» на новую вылазку конницу и пехоту. Весь день была «стравка и стрелба ис пушек и из мелкова ружья». Попытки обеих сторон взять пленных и получить информацию о примерной численности друг друга успехом не увенчались[944].

В ночь с 30 на 31 июля гарнизон Новобогородицка ожидал решительного штурма: «началные люди и козаки поставлены по городу по стенам и по роскатам и на воротех и на плецовых все в готовасти». Десять раскатов по обеим сторонам Самарских ворот прикрывал Яблоновский полк П. Гасениуса; Днепровские ворота защищал Добринский полк во главе с А. Ролонтом. Московские ворота держали сумские казаки под командой сотника Михайла. «Меж теми полки розведены были кобыляцкой сотни козаки» — 50 человек, а также присланные Мазепой 40 сердюков (Мазепиным казакам, видимо, в отличие от слободских, до конца не доверяли, опасаясь измены). Ожидания не обманули оборонявшихся: «в ночи с субботы на воскресенье, часу в третьем, во всеношное бдение, неприятелские люди и вор изменник Петрушка с воровскими козаками во многолюдстве пришли… к болшому городу». В штурме участвовало не все войско калги и Петрика, а лишь 2 тыс. казаков и 500 татар (по свидетельству пленных). Однако и это войско показалось обороняющимся многочисленным. Увидев «неприятелских людей во многолюдстве», русские ратные люди и казаки не стали оказывать сопротивление и «с валу и з ворот отходом отошли в меншой город». Неплюев объяснял это позднее тем, что «держать было того болшого города за малолюдством невозможно». Другой причиной отступления были сохранявшиеся опасения воеводы, что часть казаков может переметнуться к Петрику. Отряд крымцев и «воровских казаков» ворвался в большой город «и около всего меншого города учинили многочисленной окрик и с трех сторон города учинили стрелбу и приступали к меншому городу, и в болшом городе зажгли две башни и дворы». Начался также грабеж большого города, правда, без особого результата (лишь в одном из дворов было захвачено 50, по другим данным — 100 овец). Бой продлился до зари. Казаки Петрика и татары «во всю ночь к городу приступ… чинили», гарнизон отвечал пушечной канонадой и ружейным огнем. В особо опасных местах, где «неприятели чинили приступ», противника встречали сам воевода, а также Гасениус и Ролонт. На ночную вылазку Неплюев не решился («на вылоску ночью, не осмотря их неприятелских сил, итить было невозможно»), но на рассвете, поручив город Гасениусу, ударил из-за стен на противника во главе отряда из 300 солдат, 20 гетманских сердюков, 70 «жилых черкас» и 20 их работников, получивших царское жалованье. В результате русские и казаки «Божиею помощию и великих государей счастием неприятелских людей из болшого города выгнали и многих людей побили и переранили и языков побрали». В плен взяли «Петрушкина воровского полковника запорожского», бывшего атамана Стеблевского куреня, Кондрашку Михайленко и еще трех «воровских козаков»[945].