Pod koniec maja 1610 r. był wiadomo, że wojska rosyjsko-szwedzkie koncentrują się pod Kaługą, około 300 kilometrów na wschód od Smoleńska. Ich dowódcą był Dymitr Szujski, brat cara Wasyla IV.
6 czerwca hetman polny, Stanisław Żołkiewski ruszył spod Smoleńska w kierunku twierdzy Biała. Tam, ze względu na konieczność obrony przed wrogiem, który jak przypuszczano może zaatakować twierdzę, pozostawił około 1/3 wszystkich ludzi. Nie miał do dyspozycji dużych sił. Ich liczebność powiększono pod Szujskiem, gdzie dołączyły pułki Ludwika Weihera, Aleksandra Zbaraskiego oraz Marcina Kazanowskiego, choć nadal nie była to wielka armia.
Żółkiewski postanowił jednak zaryzykować i ją podzielić – część sił miała za zadanie blokować obóz nieprzyjaciela, aby ten nie zdołał uderzyć na tyły polskich oddziałów. Pozostali ruszyli w dalszą drogę pod Kłuszyn.
W historiografii przyjęto, że polskie wojsko liczyło 7 tys. żołnierzy. Niektórzy badacze twierdzą jednak, że polskie oddziały to jedynie 2,5 tys. ludzi. Były to jednak jednostki eleitarne, obyte z polem bitwy.
W armii przeciwnika najbardziej wartościowe były siły szwedzkie, liczące od 4 do 8 tys. żołnierzy. Liczebność wojsk moskiewskich pod wodzą Dymitra Szujskiego jest trudna do oszacowania, lecz przyjmuje się, że było to około 20 tys. wojaków, w bardzo różnym stopniu zaprawiona w boju.
Polskie oddziały poruszały się bardzo szybko. Jak pisze Maciej A. Pieńkowski w artykule dla portalu Histmag.org: „Niewątpliwie dowództwo szwedzkie i moskiewskie nie przywiązało należytej uwagi do rozpoznania, przez co dowodzone przez nich wojsko dało się zaskoczyć dosłownie w samych gaciach, bowiem wszyscy jeszcze spali. Żółkiewski nie mógł jednak od razu ruszyć do ataku, gdyż potrzebował czasu na rozwinięcie szyku, a poza tym na pole bitwy nie dotarła jeszcze piechota wraz z działkami”.
Niewielka przestrzeń pola bitwy (1,5 km szerokości) nie pozwoliła siłom nieprzyjaciela na rozwinięcie szyku, choć wybudowane przez nich przeszkody utrudniały polskim husarzom natarcie. Dopiero uczynione wyłomy pozwoliły na bezpośredni atak. Niektóre oddziały szarżowały nawet dziesięć razy, dopóki nie rozbiły sił wroga.
Jazda moskiewska, widząc w jaki sposób nacierają Polacy, uciekli. Jak w „Dyariuszu” pisał Samuel Maskiewicz: „Straciwszy serce Moskwa pierzchać i uciekać w obóz pospołu z Niemcami poczęli, a my na grzbietach ich jadąc […] wpadliśmy do obozu ich”.
Widząc uciekających Moskali, wielu Szwedów zaczęło tracić ducha walki, jednak bitwa nie była jeszcze zakończona. Żółkiewski, nie mogąc przełamać oporu pozostałych wojsk wroga, rzucił na pole bitwy przegrupowane i bardziej wypoczęte jednostki.
Widok kolejnej szarży polskiej kawalerii spowodował, że (głównie) Szwedzi zaczęli się masowo poddawać (łącznie około 2,5 żołnierzy). Dymitr Szujski wraz z pozostałymi Moskalami uciekł z pola bitwy.
Po polskiej stronie zginęło około 100 osób oraz 200 koni (z powodu zastosowania przez wroga płotów i palisad oraz broni palnej). Po przeciwnej stronie straty były znacznie większe i wyniosły około 2-3 tys. osób.
Z powodu klęski pod Kłuszynem, Wasyl IV został zdetronizowany. Dwa lata później złożył w Warszawie hołd królowi Zygmuntowi III Wazie.
Polakom, zwycięstwo nad wojskami Szujskiego otworzyło drogę do Moskwy, gdzie 27 sierpnia tego samego roku, polski królewicz i przyszły król, Władysław IV został koronowany na cara Rosji.