Воспользовавшись установившейся на период переговоров мирной передышкой, московское правительство сумело собрать войска. В столицу прибыли дворянские ополчения из Смоленска, Дорогобужа, Белой и Вязьмы. Армия Шуйского росла, армия Болотникова слабела — 15 ноября 1606 года на сторону московского царя перешли дворянские отряды П.П. Ляпунова и Г.Ф. Сумбулова.
Сражение под Москвой началось 30 ноября 1606 года. Сражение длилось с перерывами в течение нескольких дней в Коломенском, в Заборье у Даниловского монастыря, на тульской и калужской дорогах. Решающая битва развернулась в Коломенском 2 декабря 1606 года и закончилась разгромом главных сил восставших. Решающую роль в поражении мятежников сыграли два фактора: во-первых, недюжинное полководческое дарование и решимость молодого московского воеводы М.В. Скопина-Шуйского, во-вторых, переход на сторону правительственных войск во время боя отряда Истомы Пашкова.
Остатки армии Болотникова отступили в Калугу, а затем в Тулу, под защиту крепких стен здешнего кремля.