Sam Cromwell z główną armią miał uderzyć bezpośrednio na samo miasto. 3 września przystąpiono do realizacji planu. Fleetwood przebył bród na rzece Teme, a mostowy tabor (uprzednio specjalnie przygotowany) przerzucił mosty przez rzeki Teme i Severn. Cromwell na lewym skrzydle i Fleetwood na prawym od północy objęli Worcester szerokim 4-milowym łukiem. Każde ogrodzenie stanowiło zażarty punkt oporu rojalistów, jednak żołnierzy Fleetwooda nie dało się powstrzymać. Skrajne prawe skrzydło Cromwella zostało odparte po trzech godzinach ciężkich walk, które stanowiły ostatnią desperacką próbę rojalistów, by przebić się przez wojska parlamentu. Pozycje obronne miasta szturmowane były z różnych kierunków do momentu, gdy zapadły ciemności. Nocą część rojalistów próbowała wycofać się na własną rękę, zostali jednak wyłapani przez siły Lilburne’a i Mercera, pilnujących dróg w Yorkshire i Lancashire. Nawet miejscowi, którzy mieli być przychylni rojalistom, dostarczyli wojskom Cromwella jeńców.
Król Karol II zdołał się wymknąć, choć z wieloma problemami.