תנועת האיגוף של היחידות הטבטוניות החדשות יצרה איום על המלך יוגיילה עצמו, שהתמקם על גבעה שצפתה על שדה הקרב עם יחידה קטנה של משמר ראשו. האבירים הפולנים שהקיפו את המלך, ניסו להסתיר את מיקומו באמצעות הורדת הדגל האישי שלו, שהיה גרסה מוקטנת של הדגל הגדול של קראקוב, אך אחת מיחידות הפרשים הטבטוניות פנתה לעברו, ובשלב מסוים הסתער אחד האבירים הטבטונים ישירות על יוגיילה. זביגנייב אולסניקי, מזכירו של המלך, התנגש באביר התוקף והצליח להפיל אותו מסוסו, ולאחר מכן נהרג התוקף על ידי שומרי הראש של המלך (לפי גרסה אחרת על ידי המלך עצמו). בעקבות מעשה הגבורה שלו, מונה אולסניקי לבישוף של קראקוב, והפך לאחד האישים רבי ההשפעה בפולין.
המלך יוגיילה שלח את שארית יחידות העתודה שלו למערכה, והם הצליחו לבלום את המתקפה הטבטונית המחודשת על אגפו הימני. במקום התפתח קרב פנים אל פנים ממושך, ללא הכרעה. במקביל ללחימה העזה באגף הפולני הימני, תקפו המרכז והאגף השמאלי של הצבא הפולני את היחידות הטבטוניות שניצבו מולם (שנחלשו עקב העברת חלק מכוחן לתגבור האגף הטבטוני השמאלי), הפעילו עליהם לחץ חזק ואילצו אותם לסגת בהדרגה לכיוון צפון-מערב, אל מעבר ללודויגסדורף לכיוון הכפר גרונוולד.
שלב הסיום של הקרב.
בשעות אחר הצהריים, לאחר מספר שעות של לחימה קשה ללא הכרעה, חזר הצבא הליטאי (או לפחות חלקו הגדול) לשדה הקרב, לאחר שהתארגן מחדש במחסה היערות, ותקף את האגף השמאלי של הצבא הטבטוני מעורפו. הפרשים הטבטונים, שעדיין היו עסוקים במאמץ לשבור את התנגדות האגף הפולני הימני, הופתעו. הם הותקפו במקביל מחזיתם ומעורפם, כותרו כמעט לחלוטין על ידי כוחות פולנים וליטאים, ומצאו עצמם בנחיתות מספרית גדולה. בשלב זה הורה המלך יוגאילה גם לחיל הרגלים שלו, שנשמר עד אז בעתודה, להצטרף למתקפה על האגף הטבטוני השמאלי. הפרשים הכבדים הטבטונים, שלא יכלו לתמרן עקב הצפיפות הרבה ששררה בשדה הקרב, התקשו להתגונן ביעילות, והרגלים הפולנים הפילו אותם מסוסיהם וטבחו בהם. פון יוגינגן נהרג במהלך ניסיון להוביל מתקפה על טבעת הכיתור, ולפרוץ דרך שורות הליטאים, והכוח הטבטוני שבפיקודו הושמד. במקביל, הלחץ המתמיד שהפעילו הפולנים על המרכז והאגף הימני של הצבא הטבטוני נשא פרי. המערך הטבטוני החל להישבר, והפולנים פרצו דרך המרכז, וכיתרו את שארית כוחו של הצבא הטבטוני. כשהם מוקפים וללא מפקדם שנהרג, ניסו שרידי הצבא הטבטוני להימלט משדה הקרב. חלק מהיחידות נסוגו בחזרה למחנה שלהם, וניסו להיערך להגנה היקפית עליו, אולם הפולנים הצליחו לפרוץ לתוך המחנה לאחר זמן קצר, והכוחות שמצאו בו מחסה הושמדו או נפלו בשבי. לפי "Cronica conflictus", אחת הכרוניקות החשובות שתיארו את מהלכי הקרב, נהרגו יותר חיילים בתוך המחנה הטבטוני מאשר בשדה הקרב. הקרב היה ממושך ולפי מקור אחד ארך כעשר שעות, והסתיים כשעה לפני רדת החשיכה.
הטבטונים תלו את ההפסד בבגידה של מפקד הכוחות מחלמנו, ניקולאוס פון רניס, וראשו נערף ללא משפט. פון רניס היה ממייסדי מסדר הלטאה ("Lizard Union"), קבוצת אבירים עם זיקה לפולין. לטענת האבירים, הנמיך פון רניס את דגל יחידתו, דבר שנתפס כסימן לכניעה והוביל לנסיגה המבוהלת. האגדה לפיה תקעו לאבירים סכין בגב עמדה ברקע של אגדת תקיעת הסכין בגב שלאחר מלחמת העולם הראשונה, והעסיקה היסטוריונים של הקרב עד שנת 1945.
ניתוח הקרב והמחלוקת ההיסטוריוגרפית סביב תיאור הקרב.
עד המחצית השנייה של המאה ה-20 אימצו מרבית החוקרים של קרב גרונוולד את תיאור הקרב, שנכתב על ידי הכרוניקאי הפולני יאן דולגוש, שהכרוניקה שלו היא המקור הראשוני המפורט ביותר של הקרב, שהגיע לידינו. לפי תיאורו של דולגוש, נמלט הצבא הליטאי בבהלה משדה הקרב לאחר כשעה של לחימה, וכתוצאה מכך חדל למלא תפקיד משמעותי במסגרת הקרב, והצבא הפולני הוא שהכריע, כמעט ללא סיוע, את הצבא הטבטוני, והביס אותו. לפי דולגוש, התפזרו הליטאים ביערות ובביצות ממזרח לשדה הקרב, וחלקם אף ברחו עד לליטא, שם הפיצו סיפורים על התבוסה בקרב ועל מותו של הדוכס הגדול ויטאוטוס. הפרשים הטבטונים, שניהלו את המרדף אחרי הליטאים המובסים, חזרו למחנה הטבטוני עם שלל ושבויים רבים, ולאחר מכן הצטרפו למתקפה על האגף הימני של הצבא הפולני.
רק במחצית השנייה של המאה ה-20 החלו מספר חוקרים לערער על תיאור הקרב על ידי דולגוש, ובראשם פרופסור סוון אקדאל מאוניברסיטת גוטנברג שבשוודיה. לטענת חוקרים אלה, לא נמלטו הליטאים והפרשים הטטרים שלחמו לצדם בבהלה משדה הקרב, אלא ניהלו קרב נסיגה מסודר ומתוכנן, שנועד לפתות את הטבטונים לפתוח במרדף אחריהם, ובכך לשבש את מערכם ולהכניס אותם למלכודת. הטבטונים אכן פתחו במרדף, שעירער לחלוטין את המבנה הצבאי המסודר שלהם, ובכך איפשרו לליטאים לעבור למתקפת נגד ולהביס את הכוחות שרדפו אחריהם. הליטאים ספגו אמנם אבדות כבדות במהלך מנוסתם משדה הקרב, אך התמרון שלהם גרם בסופו של דבר להשמדת הכוח הטבטוני שעמד מולם, והכריע את הקרב. הגרסה ההיסטורית החלופית של קרב גרונוולד, מסתמכת בראש ובראשונה על ניתוח מחדש של מקורות ראשוניים נוספים (בנוסף לכרוניקה של דולגוש) שעסקו בקרב. ב-2005 ניתנה גושפנקה נוספת לחלקם המכריע של הליטאים בהשגת הניצחון על הטבטונים על ידי פרופסור קלאוס מיליטצר (Klaus Militzer) מקלן, חוקר בולט של תולדות המסדר הטבטוני.
אולם ניתוח של מהלכי הקרב מלמד, ששתי הגרסאות המנוגדות הנ"ל, אינן מסוגלות לתת הסבר מספק למה שהתחולל בשדה הקרב, ולתבוסה המכריעה של הטבטונים. מצד אחד, סביר להניח, שהנסיגה הליטאית משדה הקרב בשלב מוקדם של הקרב, לא הייתה מתוכננת מראש. כפי שטוען החוקר הבריטי, סטפן טורנבול, העובדה שהצבא הליטאי חזר לשדה הקרב רק מספר שעות לאחר שנמלט ממנו, אינה תואמת את הטענה, שנסיגתו בוצעה במסגרת תמרון של "נסיגה מדומה". יש לזכור גם, שמנוסת הצבא הליטאי משדה הקרב גרמה לחשיפת האגף הימני של הצבא הפולני למתקפה טבטונית, וכמעט גרמה לתבוסתו. נכון אמנם, שמספר לא ידוע של יחידות פרשים טבטונים, שהשתתפו במרדף לאחר הליטאים הנסוגים, הושמדו, כנראה בדרכם חזרה לכוח הטבטוני העיקרי, אך לא ברור על ידי מי, ואיזה תפקיד מילאו הכוחות הליטאים בהשמדתם.
מצד שני, במחקר המודרני העוסק בקרב, אין מחלוקת על כך, שהצבא הליטאי (או לפחות חלקו הגדול) חזר לשדה הקרב, כנראה בשעות אחר הצהריים, ושהמתקפה המפתיעה, שהוא הנחית על עורפם החשוף של הכוחות הטבטונים, שתקפו את האגף הימני של הצבא הפולני, הייתה נקודת המפנה בקרב, ומילאה תפקיד מכריע בתבוסת הצבא הטבטוני.
לאחר הקרב.
התבוסה של הצבא הטבטוני הייתה מוחלטת. כ-8,000 חיילים נהרגו בקרב, ו-14,000 נלקחו בשבי. רק 1,427 אבירים שבו למריאנבורג לאחר הקרב כדי לתבוע את משכורתם. מתוך 1,200 החיילים שנשלחו מדנציג, רק 300 חזרו. יחד עם אלו נהרגה גם מרבית שדרת הפיקוד של הטבטונים, בהם פון יוגינגן, פרדריך פון וולנרוד ופון ליכטנשטיין. גופתיהם של פון יוגינגן ומפקדים בכירים אחרים הועברו לקבורה בטירת מריאנבורג ב-19 ביולי. גופתיהם של מפקדים טבטונים בדרג נמוך יותר ו-12 אבירים פולנים נקברו בכנסיית טננברג. שאר המתים נקברו במספר קברי אחים.
המשך המערכה והסכמי השלום.
הצבא הפולני-ליטאי לא השכיל לנצל את הניצחון כדי לצעוד במהירות אל מריאנבורג, בירת המסדר הטבטוני, ולכבוש אותה. הוא נשאר בשדה הקרב במשך שלושה ימים, ולאחר מכן התקדם למריאנבורג באיטיות יחסית, בקצב ממוצע של 15 קילומטרים ביום, כשהוא משתלט בדרכו על שורת מבצרים טבטונים. הכוח העיקרי של הצבא המאוחד הגיע למריאנבורג רק ב-26 ביולי, עיכוב שנתן לטבטונים שהות מספקת כדי לארגן כראוי את ההגנה על בירתם. יוגאילה גם שלח כוחות למבצרים טבטונים אחרים, שמרביתם נכנעו ללא התנגדות, בהם גדנסק, תורן, ואלבינג. רק שמונה טירות נשארו בידי הטבטונים. הצרים על מריאנבורג שציפו להכרעה מהירה לא היו מוכנים לקרב ממושך, וסבלו ממחסור בתחמושת, ממורל נמוך, ממגפות ומדיזנטריה. הטבטונים פנו לבעלות בריתם בבקשה לעזרה וקיבלו הבטחות לסיוע צבאי ופיננסי מזיגמונד מלך הונגריה, ונצל מלך גרמניה, ומהמסדר הליבוני. המצור על מריאנבורג הוסר לבסוף ב-19 בספטמבר. הפולנים-ליטאים השאירו אמנם חילות מצב במבצרים שכבשו, לפני שנסוגו משטח פרוסיה, אולם הצבא הטבטוני הצליח לכבוש מחדש את מרביתם תוך זמן קצר. עד סוף חודש אוקטובר נותרו רק ארבע טירות טבטוניות באזור הגבול בשליטה פולנית. יוגיילה גייס צבא חדש והביס את הטבטונים פעם נוספת בקרב קורונואה ב-10 באוקטובר 1410. לאחר מספר התנגשויות נוספות, הסכימו שני הצדדים לנהל משא ומתן.