Суворов задумал начать штурм в 5 часов утра, примерно за 2 часа до рассвета. Темнота нужна была для внезапности первого удара и овладения валом; затем же вести бой в темноте было невыгодно, поскольку затруднялось управление войсками. Предвидя упорное сопротивление, Суворов хотел иметь в своем распоряжении как можно больше светлого времени суток.
10 декабря с восходом солнца началась подготовка штурма огнём фланговых батарей, с острова и с судов флотилии (всего около 600 орудий). Она продолжалась почти сутки и завершилась за 2,5 часа до штурма. В этот день русские потеряли убитыми 3 офицеров и 155 низы чинов, ранеными — 6 офицеров и 224 низших чина. Штурм не стал для турок неожиданностью. Они каждую ночь были готовы к нападению русских; кроме того, несколько перебежчиков раскрыли им план Суворова.
В 3 часа ночи 11 декабря 1790 года взвилась первая сигнальная ракета, по которой войска оставили лагерь и, перестроясь в колонны, выступили к назначенным по дистанции местам. В половине шестого у колонны двинулись на приступ. Прежде других подошла к крепости 2-я колонна генерал-майора Б. П. Ласси. В 6 часов утра под градом неприятельских пуль егеря Ласси одолели вал, и наверху завязался жестокий бой. Апшеронские стрелки и Фанагорийские гренадеры 1-й колонны генерал-майора С. Л. Львова опрокинули неприятеля, овладев первыми батареями и Хотинскими воротами, соединились со 2-й колонной. Хотинские ворота были открыты для кавалерии. Одновременно на противоположном конце крепости 6-я колонна генерал-майора М. И. Голенищева-Кутузова овладела бастионом у Килийских ворот и заняла вал вплоть до соседних бастионов. Наибольшие трудности выпали на долю 3-й колонны Мекноба. Она штурмовала большой северный бастион, соседний с ним к востоку, и куртину между ними. В этом месте глубина рва и высота вала были так велики, что лестницы в 5,5 саженей (около 11,7 м) оказались коротки, и пришлось под огнем связывать их по две вместе. Главный бастион был взят. Четвертая и пятая колонны (соответственно полковника В. П. Орлова и бригадира М. И. Платова) также выполнили поставленные перед ними задачи, одолев вал на своих участках.
Десантные войска генерал-майора де-Рибаса в трех колоннах под прикрытием гребного флота двинулись по сигналу к крепости и построились в боевой порядок в две линии. Высадка началась около 7 часов утра. Она производилась быстро и четко, несмотря на сопротивление более 10 тысяч турок и татар. Успеху высадки немало способствовали колонна Львова, атаковавшая во фланге береговые дунайские батареи, и действия сухопутных войск с восточной стороны крепости. Первая колонна генерал-майора Н. Д. Арсеньева, подплывшая на 20 судах, высадилась на берег и разделилась на несколько частей. Батальон херсонских гренадер под командованием полковника В. А. Зубова овладел весьма крутым кавальером, потеряв 2/3 людей. Батальон лифляндских егерей полковника графа Рожера Дамаса занял батарею, которая анфилировала берег. Другие части также овладели лежавшими перед ними укреплениями. Третья колонна бригадира Е. И. Маркова высадилась у западной оконечности крепости под картечным огнем с редута Табия.
При наступившем дневном свете стало ясно, что вал взят, неприятель вытеснен из крепостных верхов и отступает во внутреннюю часть города. Русские колонны с разных сторон двинулись к центру города — справа Потемкин, с севера казаки, слева Кутузов, с речной стороны де-Рибас. Начался новый бой. Особенно ожесточенное сопротивление продолжалось до 11 часов утра. Несколько тысяч лошадей, выскочивших из горящих конюшен, в бешенстве мчались по улицам и увеличивали смятение. Почти каждый дом приходилось брать с боем. Около полудня Ласси, первым взошедший на крепостной вал, первым же достиг и середины города. Здесь он встретил тысячу татар под начальством Максуд-Гирея, князя чингисхановой крови. Максуд-Гирей защищался упорно, и только когда большая часть его отряда была перебита, сдался в плен с 300 воинами, оставшимися в живых.
Для поддержки пехоты и обеспечения успеха Суворов приказал ввести в город 20 легких орудий, чтобы картечью очистить улицы от турок. В час дня, в сущности, победа была одержана. Однако бой еще не был закончен. Неприятель пытался нападать не отдельные русские отряды или засел в крепких зданиях как в цитаделях. Попытку вырвать обратно Измаил предпринял Каплан-Гирей, брат крымского хана. Он собрал несколько тысяч конных и пеших татар и турок и повел их навстречу наступавшим русским. В отчаянном бою, в котором было убито более 4 тысяч мусульман, он пал вместе с пятью сыновьями.