הקרב נפתח בהתקפה של האגף הימני של הצבא הפולני-ליטאי המאוחד, שכלל את הצבא הליטאי ביחד עם יחידות פרשים טטריות ורוסיות, בפיקוד הדוכס הגדול של ליטא, ויטאוטאס, על האגף הטבטוני השמאלי. בשלב הראשון של המתקפה, הצליחו הפרשים הקלים הליטאים והטטרים לגבור ללא קושי על התנגדות הרגלים הטבטונים, שניצבו בקו הראשון, ולשטוף את עמדותיהם ואת הארטילריה המסייעת שלהם. לפי מספר מקורות, הספיקו התותחים הטבטונים לירות רק שני מטחים של פגזים לפני שהושתקו, אם כי לא ברור אם כתוצאה ממהירות ההסתערות של הפרשים הליטאים, או מגשם שירד לפני הקרב ובמהלכו, והרטיב את אבק השרפה. הטבטונים הטילו לקרב את הדרג הראשון של הפרשים הכבדים שלהם, כדי לייצב מחדש את חזיתם, ולפי חלק המקורות, רמסו האבירים הטבטונים בדרכם את הרגלים שלהם, שניסו להימלט משדה הקרב, וגרמו להם אבדות כבדות. שרידי הרגלים נמלטו לעבר המחנה הטבטוני, סמוך לכפר גרונוולד, ולא מילאו תפקיד משמעותי בהמשך הקרב.
הפרשים הכבדים באגף השמאלי של הצבא הטבטוני היו עדיפים בהרבה, במיגון ובחימוש, על הפרשים הקלים הליטאים שניצבו מולם, ולכן החליט פון יוגינגן לתגבר את כוחותיו של פון וולנרוד, והטיל לקרב יחידות פרשים רעננות מהדרג השני של צבאו, כדי להכריע את הליטאים. לפי אחד המקורות הפולניים, הותקף הצבא הליטאי על ידי "החלק הגדול יותר של הצבא הטבטוני", שכלל גם את היחידות המובחרות ביותר. האבירים הטבטונים החלו לדחוק לאחור את הפרשים הליטאים והטטרים, ובשלב כלשהו נשברו הפרשים הטאטרים, שלחמו באגף הימני של הצבא הליטאי, ונמלטו משדה הקרב, כשכוח פרשים טבטוני דולק אחריהם. הדוכס הגדול ויטאוטאס הטיל את עתודותיו לקרב, כדי לייצב את חזיתו, אך לאחר יותר משעה של לחימה קשה, פתחו גם הפרשים הליטאים בנסיגה מלאה/במנוסה. לפי הכרוניקן הפולני יאן דלוגוש, פתחו הפרשים הטבטונים במרדף נמרץ אחרי הליטאים הנמלטים, כשהם אוספים בדרכם שלל ושבויים רבים, ולאחר מכן חזרו לשדה הקרב העיקרי, כדי להצטרף ללחימה מול הפולנים. על פי דלוגוש, נמלט הצבא הליטאי בבהלה משדה הקרב, התפזר ביערות ובביצות סביב אגם לוביאן, וחדל למלא תפקיד בשלבים המאוחרים יותר של הקרב.
מספר חוקרים מודרניים ערערו על תיאור הקרב אצל דלוגוש, וטענו שהנסיגה הליטאית הייתה מתוכננת ומסודרת, והייתה למעשה תמרון טקטי ("נסיגה מדומה"), שהליטאים העתיקו מהטאטרים של אורדת הזהב, אשר נועד לגרום לפרשים הטבטונים לצאת למרדף ולשבש את הסדר והארגון של יחידותיהם. הטאטרים השתמשו בהצלחה בתמרון דומה בקרב על נהר וורסקלה ב-1399, שבו ספג הצבא הליטאי מפלה קשה, וויטאוטאס עצמו ניצל בעור שיניו. תאוריה זו נתמכת על ידי מכתב שהתגלה על ידי ההיסטוריון השוודי סוון אקדהל (החוקר המודרני המוביל של הקרב) בארכיון המסדר הטבטוני ב-1963. זהותו של כותב המכתב אינה ידועה, אך ידוע שבעת כתיבת המכתב הוא שהה במצודת שלוכאו (Schlochau) שבמערב פרוסיה, וייתכן שהיה מפקד המצודה באותה העת. הנמען של המכתב הוא היינריך פון פלאואן (Heinrich von Plauen), שירש את מקומו של פון יונגינגן בראשות המסדר הטבטוני לאחר קרב גרונוולד. פון פלאואן הודח מראשות המסדר ב-1413, ולכן סביר להניח שהמכתב נשלח אליו לפני שנה זו, זמן קצר יחסית לאחר הקרב. אחת העצות שכותב המכתב השיא לראש המסדר הטבטוני הייתה, שעליו לשמור בכל מחיר על מערך מסודר של היחידות הטבטוניות בשדה הקרב, ולא להניח להם להתפזר, על מנת שמה שקרה בקרב גרונוולד לא יחזור על עצמו. בין השאר הוא כתב לו: "אם אויביכם יגרמו למבנה אחד או שניים של הכוחות הטבטוניים להתפזר, הדבר יהיה במכוון, כיוון שהם יקוו שיצליחו לפרוץ את המערך המסודר ולנתקו". הכותב גם הסביר כיצד יגרמו האויבים לכוחות הטבטוניים להתפזר: הם יעמידו פני נסוגים, כדי לפתות את הלוחמים הטבטונים לרדוף אחריהם, וכך יגרמו לשבירת המבנה הצבאי המסודר שלהם.
ייתכן שהמכתב, שנשלח לפון פלאואן, מתייחס לאירוע המוזכר בכרוניקה הפולנית "Cronica conflictus Wladislai regis Poloniae cum Cruciferis anno Christi 1410", העוסקת בקרב. לפי מקור זה, מספר יחידות של פרשים טבטונים, שלא הורכבו מאבירים חברי המסדר הטבטוני, אלא ממתנדבים זרים ("צלבנים"), שלחמו בשורות הצבא הטבטוני (והיו פחות ממושמעים מהאבירים חברי המסדר), נסחפו בלהט המרדף אחרי הליטאים, והתרחקו מאוד מהגוף העיקרי של הצבא הטבטוני. כאשר יחידות אלו ניסו לחזור מהמרדף, הן הותקפו מאגפם על ידי יחידות עתודה של פרשים פולניים, שהמתינו במארב ביערות ממערב לאגם לוביאן, והושמדו כמעט לחלוטין. ייתכן, אף על פי שהדבר לא נכתב בכרוניקה, שהפרשים הטבטונים הותקפו במקביל גם על ידי פרשים ליטאים, שהתארגנו מחדש במחסה היערות. מהמקורות הראשוניים קשה להבין כמה יחידות פרשים טבטונים הושמדו במסגרת קרב זה, ואיזה חלק מכוח הפרשים הטבטוני, שהשתתף במרדף אחרי הליטאים, חזר בשלום לשדה הקרב העיקרי, והצטרף לאחר מכן למתקפה על האגף הימני של הצבא הפולני.
ההיסטוריון הבריטי סטפן טורנבול, לא מקבל את תאוריית הנסיגה המדומה, ומעריך כי הנסיגה הליטאית לא הייתה מתוכננת, או מסודרת. הוא טוען שאילו היה מדובר בתרגיל נסיגה מדומה, היה רק חלק קטן מהצבא הליטאי נמלט משדה הקרב, ולא כמעט כל הצבא. בנוסף, זמן קצר לאחר שהצד השני היה פותח במרדף אחרי הכוחות הנמלטים, אמורה הייתה לבוא מתקפת נגד, שתנצל את חוסר הסדר בשורות הכוחות הרודפים, בעוד שבמציאות חזרו הכוחות הליטאים לשדה הקרב רק מספר שעות לאחר שנמלטו ממנו.
מהמקורות הראשוניים קשה להבין מתי בדיוק נכנס גם הצבא הפולני לקרב נגד הטבטונים. לפי כל המקורות הראשוניים, היו הליטאים הראשונים שנכנסו לקרב, ותקפו את הצבא הטבטוני. מתיאור הקרב בכרוניקות הפולניות ניתן להבין, שהצבא הפולני הצטרף אף הוא לקרב זמן קצר לאחר המתקפה הליטאית, אולם המקורות הליטאיים העוסקים בקרב נותנים תיאור שונה לחלוטין של מהלך המאורעות. לפי המקורות הליטאיים, נאלץ הצבא הליטאי להילחם לבדו כנגד רוב הצבא הטבטוני במשך פרק זמן ממושך, וכתוצאה מכך ספג אבדות כבדות מאוד. הפולנים סירבו להענות לכל הפניות של הליטאים לבוא לעזרתם, והצבא הפולני המשיך להמתין ביערות, ולא הצטרף לצבא הליטאי בשדה לקרב. רק לאחר שהדוכס ויטאוטאס רכב באופן אישי אל המלך יוגיילה, ודרש ממנו באופן בוטה להורות לצבאו להצטרף למערכה, הסכים האחרון להורות לחלק מצבאו לבוא לעזרת הליטאים הלחוצים, אך הוא עצמו התעקש להישאר במקומו, כדי לסיים את תפילת המיסה, שערכו הכמרים לצבאו לפני הקרב.
בכל מקרה, לפי הכרוניקות הפולניות, כאשר הצטרף הצבא הפולני לבסוף לקרב, התנגשו גושי הפרשים הכבדים הפולנים והטבטונים בעוצמה בעמק שהפריד בין שני הצבאות, ולאחר ההיתקלות הראשונית ביניהם התפתח קרב פנים אל פנים צפוף בין שני הצדדים, כשאף אחד מהם לא מצליח להשיג יתרון משמעותי על יריבו.
המתקפה הטבטונית על הצבא הפולני.
נסיגת/מנוסת הצבא הליטאי משדה הקרב, יצרה מצב מסוכן עבור הצבא הפולני, משום שהיא חשפה את אגפו הימני. המפקדים הטבטונים זיהו את ההזדמנות שנקרתה בפניהם להכריע את הקרב, וחלק מיחידות הפרשים באגף הטבטוני הימני, בפיקוד קונו פון ליכטנשטיין, הועברו לתגבר את הכוחות הטבטונים באגף השמאלי, ותקפו את האגף הימני של הצבא הפולני. שש מיחידות הפרשים של פון וולנרוד, שלא השתתפו במרדף אחרי הליטאים, הצטרפו להתקפה. רק עמידת גבורה של שלוש יחידות פרשים רוסיים מסמולנסק (שאחת מהן הושמדה במהלך הלחימה), ושל מספר יחידות פרשים באגף השמאלי של הצבא הליטאי, שלא הצטרפו למנוסה הכללית, מנעה מהטבטונים לאגף ולכתר את הצבא הפולני, ובלמה אותם עד להגעת כוחות העתודה הפולניים. יחידות אלו, בסיוע שכירי החרב מבוהמיה, נסוגו באיטיות תוך כדי לחימה, בתנועה של דלת מסתובבת, ואיפשרו לפולנים לייצב את אגפם הימני וליצור קו הגנה חדש, בניצב לקו החזית המקורי שלהם. המלך יוגיילה שלח חלק מהדרג השני של פרשיו, כדי להדוף את המתקפה הטבטונית על אגפו הימני, ובמקביל שלח כוחות עתודה נוספים לסייע למתקפה, שערך האגף השמאלי של צבאו על האגף הטבטוני הימני. בשלב מסוים של הקרב זיהו הפרשים הטבטונים את הדגל הגדול של קראקוב, אשר נשא את סמל הנשר הלבן (סמל בית המלוכה הפולני), והוחזק על ידי נושא הדגל של מושל קראקוב, מרשל הכתר הפולני. הם תקפו את נושא הדגל, בחושבם שמדובר במלך הפולני, פצעו אותו והצליחו להשתלט באופן זמני על הדגל. היה זה רגע משבר בקרב, משום שנפילת הדגל סימלה בדרך כלל את תבוסת האויב ואת סיום הקרב, וסיפקה זריקת עידוד ליחידות התוקפות, שחשבו שהקרב הוכרע, אך הפרשים הפולנים תקפו את הכוח הטבטוני שתפס את הדגל, השמידו אותו והחזירו את הדגל לידיהם.
כוחות העתודה הפולניים החלו לדחוק לאחור את האבירים הטבטונים, אך אז הצטרפו לכוח הטבטוני מספר יחידות פרשים מהכוח של פון וולנרוד, שחזרו מהמרדף שניהלו אחרי הצבא הליטאי ואחרי הפרשים הטאטרים, וחידשו את תנופת המתקפה. המלך הפולני הטיל למערכה יחידות עתודה נוספות, שהצליחו לבלום שוב את המתקפה הטבטונית על אגפו הימני. בשלב זה של הקרב, החליט המגיסטר פון יוגינגן להטיל את כוח העתודה שלו למערכה, במאמץ להכריע את הקרב, והוביל באופן אישי 16 יחידות פרשים (כשליש מכלל כוח הפרשים שלו) בתנועת איגוף רחבה להצטרף למתקפה על האגף הפולני הימני.