Am Abend des 23. Januar trafen die Berner in Villmergen ein und bezogen das Nachtquartier. General Sigmund von Erlach und eine Anzahl höherer Offiziere blieben auf Schloss Lenzburg zurück, da sie vorerst nicht mit einem Angriff rechneten. Die Truppen wurden in den Häusern einquartiert und verbrachten die Nacht hauptsächlich mit dem Plündern des Dorfes, wobei sich auch Bewohner der reformierten Nachbardörfer unter die Plünderer mischten. Das Niederbrennen des Dorfes und insbesondere der Kirche konnten die anwesenden Offiziere jedoch verhindern, lediglich acht Gebäude gingen in Flammen auf.
Kurz vor Mittag des 24. Januar trafen die katholischen Truppen in Hilfikon ein und überwältigten die Berner Wache auf Schloss Hilfikon. Sie gingen in Angriffsformation über, wobei das Überqueren des Hinterbachs ihren Vorstoss etwas hemmte. Auf einer rund 350 Meter breiten Frontlinie eröffneten sie im engen Tal mit Geschützen das Feuer auf die Berner. Diese waren überrascht worden und mussten sich erst noch formieren. Eine Reserveeinheit der Berner, die rund 800 Meter entfernt bei der Kirchhöhe stationiert war, gelangte gar nie zum Einsatz und trat frühzeitig den Rückzug nach Lenzburg an. Nur wenige Berner Geschütze konnten in Stellung gebracht werden.
Die eigentliche Schlacht begann um 14 Uhr, wobei die Berner Musketiere ihre Stellungen zunächst halten konnten und den Katholiken erhebliche Verluste zufügten. Einzelne katholische Truppenteile begannen bereits zurückzuweichen, als Oberbefehlshaber Christoph von Pfyffer einen Sturmangriff mit drei Flügeln befahl. Der linke Flügel wurde zwar aufgehalten und zurückgeworfen, die beiden anderen stiessen jedoch im hügeligen Gelände, wo die Berner Kavallerie wenig ausrichten konnte, erfolgreich vor. Um 16 Uhr brachen die Berner Linien vor allem aufgrund der mangelhaften Koordination zusammen. Ausserdem waren die überwiegend bäuerlichen Fusstruppen der Berner von Anfang an wenig motiviert gewesen, da das harte Vorgehen der Patrizier nach dem Bauernkrieg von 1653 sie von der Heerführung entfremdet hatte.
Nach Einbruch der Dunkelheit waren die in den Häuserkampf verwickelten Berner gezwungen, sich durch das Dorf zurückzuziehen. General von Erlachs Regiment traf zu spät ein und wurde nördlich von Villmergen von den flüchtenden Soldaten mitgerissen. Die Katholiken gewannen die Schlacht trotz zahlenmässiger und waffentechnischer Unterlegenheit. Sie verfolgten die Berner bis nach Dintikon, plünderten das Dorf und brannten es anschliessend nieder. Daraufhin zogen sie geordnet nach Muri ab, in Villmergen blieb nur eine Wache der Freiämter zurück.
Die Folgen
Nach der Schlacht von Villmergen kam es in der weiteren Umgebung zu vereinzelten Scharmützeln und Übergriffen auf die Bevölkerung. Letzte Kriegshandlung war am 3. Februar ein Sturmangriff der Zürcher auf Rapperswil, der jedoch scheiterte. Durch Vermittlung von Frankreich und Savoyen schlossen die Kriegsparteien am 7. März den Dritten Landfrieden. Dieser bestätigte im Wesentlichen die seit dem Zweiten Kappeler Landfrieden bestehenden Machtverhältnisse, also die politische Dominanz der katholischen Orte innerhalb der Eidgenossenschaft.