Но в этот момент пришло известие, что идущая на выручку армия поляков наконец совсем близко. Продвижение короля Собеского, начавшееся из Варшавы с задержкой в Кракове, было таким же медленным, как и атака Мустафы. По пути он не встретил значительного сопротивления. Вскоре Собеский уже форсировал Дунай по мосту из лодок, чтобы соединиться с главными силами австрийской армии герцога Лоррейнского и контингентами из Баварии и Саксонии. После военного совета они совершили трехдневный переход — вновь беспрепятственно — по трудным лесным дорогам вверх, к вершине Каленберга, возвышающейся над Веной, которая, к их удивлению, не была занята. Отсюда Собеский смотрел вниз на осажденный город, уцелевшие стены которого, окруженные лабиринтом минных траншей, прерывались кое-где грудами битого камня; и на лагерь своего врага, по-прежнему раскинувшийся на открытом месте у города без каких-либо оборонительных сооружений или концентрации войск. Изучив обстановку, польский король с уверенностью сказал: «Этот человек плохо расположил свой лагерь. Он ничего не понимает в войне, мы наверняка разгромим его».
Кара Мустафа, нацеленный на осаду, действительно не спланировал заранее оборону собственных сил, ведущих осаду города, от армий, идущих на выручку осажденным. Османский лагерь турок не был укреплен и по большей части не был прикрыт ни сторожевыми постами на вершинах холмов, ни кавалерийскими разъездами на равнине. Более того, даже теперь, когда прибытие армии поддержки стало очевидным, Мустафа не предпринял никаких срочных мер к переброске части своих войск для отражения ее атаки. Он пренебрег возможностью не допустить переправу австрийских или польских войск через Дунай — такая операция требовала отправки хорошо вооруженного отряда под его собственным командованием, но Мустафа поручил ее крымскому хану, впоследствии обвинив его, как козла отпущения, в неспособности противостоять врагу. Также Мустафа даже не попытался остановить продвижение противника по крутым скалистым склонам Каленберга либо опередить его, заняв вершину горы. Только когда гребень и склоны Каленберга осветились вспышками огней вражеских ракет и лагерных костров, Кара Мустафа понял, что безнадежно опоздал. Все, что он теперь мог сделать, — это направить отряд к подножию горной гряды и ждать, когда Собеский начнет наступление по склонам вниз.
Оно началось перед рассветом 12 сентября. Дисциплинированные христиане спускались вниз в образцовом боевом порядке и в строгой очередности, но показались туркам «потоком смолы, который тек вниз по склонам, пожирая все, к чему прикасался». Кара Мустафа был уверен, что отряда кавалерии будет достаточно, чтобы отбить наступление. Только тогда, когда крымский хан потребовал использовать янычар, он выделил отряд, оставив основные силы в траншеях перед городом. Теперь уже не было времени, чтобы переправить необходимое количество артиллерии.
Последовавшая за этим битва, в которой турецкие войска оказались между двух огней — хорошо вооруженным гарнизоном и деблокирующей группой, длилась весь день. Сначала она приняла форму сумбурных стычек среди скал и ущелий склонов. Затем внизу, на равнине, после жестокой схватки между турецкой и польской кавалерией, с участием немцев, Собеский повел свои лучшие войска прямо на турецкий центр и в лагерь, где выделялся шатер великого визиря. При виде христианского завоевателя собственной персоной татарский хан воскликнул: «Клянусь Аллахом! Король действительно среди нас!» — и со своими людьми пустился наутек. Огромная масса османской армии смяла ряды и в панике обратилась в бегство, оставив на поле боя десять тысяч убитых.
Янычары, засевшие в траншеях перед городом, не атаковавшие, но и не отступившие, были наголову разбиты, оказавшись между защитниками города, находившимися перед ними, и победоносными поляками у них в тылу. В общей панике османский лагерь был брошен со всей его артиллерией, сотней тысяч голов рогатого скота и такими трофеями, как украшенное драгоценными камнями оружие и кушаки, богатые ковры, дорогие ткани и меха. Все это стало вознаграждением Собескому и его армии. Но, к своему немалому разочарованию, они обнаружили лишь немного монет и слитков серебра и золота — турки успели вовремя унести их с собой. Среди трофеев были и диковины, включая только что обезглавленную самку страуса; попугая, который упорно не желал даваться в руки; других птиц в золотых клетках; а главное — большие запасы кофе, что привело к созданию первого венского кафе.
Великий визирь поспешно бежал вместе со своим войском, успев спасти лишь знамя Пророка и значительную сумму денег и оставив свой роскошный шатер польскому королю, который отправил своей королеве в качестве символа победы золотое стремя от боевого коня Мустафы. Хвастаясь, в сопроводительном письме, своим захватом лагеря «неверных» со всеми его богатствами, польский король подробно перечислил драгоценные плоды своей собственной добычи, после чего заключил: «Мы гоним перед собой множество верблюдов, мулов и пленных турок». Граф Штаремберг пришел в османский шатер, чтобы выразить свое почтение Собескому, освободителю Вены. Перед шатром между позолоченными флагштоками висело огромное, шитое золотом знамя с бунчуками султана, и на следующий день все это было с триумфом пронесено по улицам города, а военачальники христиан проехали в победной процессии.
Полутора веками ранее Сулейман Великолепный потерпел неудачу с осадой Вены в значительной степени из-за проблем с транспортом и снабжением. Но он уходил от стен города, сохранив армию невредимой. Черный Мустафа сражался и проиграл генеральное сражение противнику, уступавшему ему в численности; и армия, та часть, которой удалось выжить, была низведена до состояния бегущей толпы. Поражение Кара Мустафы раз и навсегда подорвало в глазах Европы престиж османских турок как народа-завоевателя.
После сражения за город армии христиан под предводительством Яна Собеского и Карла Лоррейнского начали преследование бегущих турок. Кара Мустафа сделал паузу в своем бегстве у реки Рабы, чтобы перегруппировать остатки своих войск и перераспределить командование. В гневе великий визирь обвинил своего врага и противника его тактики Ибрагим-пашу, губернатора Буды, в преднамеренном предательстве, выразившемся в бегстве вместе с его войсками с поля боя и тем самым предопределившем бегство остальных. Мустафа приказал казнить Ибрагим-пашу вместе с некоторыми другими высокопоставленными офицерами, выбранными в качестве козлов отпущения.
Разбитая армия с боями прокладывала свой путь к Буде, подвергаясь постоянным нападениям австрийских ополченцев из разных крепостей, оставшихся в руках врага, в то время как нерегулярные татарские части опустошали венгерские земли по пути отступления, так же как делали это во время наступления. В арьергардном бою в районе населенного пункта Парканы преследователи-поляки были сначала остановлены засадой, а затем стремительно атакованы турками. Но те в кровавой схватке все же сумели отбросить османов обратно к берегам Дуная. Когда турки толпами устремились на лодочный мост, тот обрушился под весом бегущих, и семь тысяч человек утонули или были перебиты. Это привело к осаде и капитуляции Грана (Эстергома), который стал опорным пунктом для имперских амбиций не турок, коим он был после захвата Сулейманом, а австрийцев и немцев. Турецкие войска ушли к Белграду, откуда султан еще раньше отбыл в Адрианополь. Оттуда он послал своего старшего камергера с приказом вернуться с головой великого визиря. Так Кара Мустафа был, в свою очередь, казнен, как он казнил многих других. Такой была судьба тщеславного, алчного и напыщенного министра, бездарность которого в военных делах принесла Османской империи крупнейшее поражение. Таким был конец рокового года последней осады Вены. Тем не менее прошло еще шестнадцать лет до полного окончания войны.
Христианский мир приветствовал известие об освобождении имперского города шумным восторгом. Теперь наконец должен был наступить смертный час мусульманской агрессии, навсегда заставив замолчать тревожный звон «турецких колоколов» в Европе. Многие помнили библейские пророчества, предсказывавшие конец Османской империи в 1691 году. Конечно же это произошло на самом деле. Папа римский, неустанно молившийся за победу христиан, отметил ее благодарственной службой, после чего стал проповедовать еще один — четырнадцатый — Крестовый поход, чтобы окончательно решить исход дела, тем более что военачальники союзных войск решили довести до конца свое преимущество. Давно вынашиваемые планы папы о создании Священной лиги воплотились в жизнь ее оформлением в Линце весной 1684 года. В Лигу вошли три христианские державы — Австрия, Польша и Венеция, существовала также надежда на дополнительное сотрудничество с Персией. Каждая держава должна была нанести удар в районе, наиболее затрагивающем ее интересы: Австрия — в Венгрии и в среднем течении Дуная в направлении балканских перевалов; Польша — на юг к черноморскому побережью и вдоль него; Венеция — в Далмации, Греции и на островах. Была даже отчеканена медаль, чтобы увековечить память о гармонии и согласии трех «героев» лиги: императора Леопольда, короля Польши Собеского и венецианского дожа. На деле, как и всегда было в прошлом, политические интересы троих вскоре вошли в противоречие из-за общих границ и сфер влияния. Но на протяжении почти пяти лет лига казалась достаточно эффективным военным инструментом.
Инициируя в 1684 году давно планировавшуюся кампанию, Венецианская республика впервые в своей истории объявила султану открытую войну. Венецианцы при содействии Мальты и Тосканы снарядили флот под командованием Морозини, который захватил Превезу и прибрежный остров Санта-Маура. Затем, при поддержке некоторых местных корсаров, Морозини высадил войска в Далмации и развернул наземные силы в Албанию и Боснию. В следующем году Морозини осуществил завоевание Мореи, получив, несмотря на твердое противодействие турок, поддержку от непокорных обитателей Мани и заработав себе на этом звание Пелопонессиако (Пелопоннесский).