六月九日，金兀术指挥金军向顺昌城发起总攻。这天天明，金兀术率金兵渡过颍河，沿城列成阵势，从东门到南门，从南门到西门，把四门连成一片，并呐喊不停，企图在精神上吓倒顺昌城内的军民。城内宋军丝毫不为所动，一心一意迎战金军。当时，诸将都认为金军中韩常部较弱，宜先打击该部。刘锜认为击败韩部，仍不能阻挡兀术精兵的进攻，不如先打败兀术军，则整个金军将无能为力。这时正值天气炎热，金军远道而来，没有休息即投入战斗，人困马乏，只好休兵立营，准备再攻。宋军则轮番休息于羊马垣下以逸待劳，主动出击，突入兀术营垒，打败其装备最好的三千牙兵。金军以铁骑拐子马从左右两翼企图包围宋军，由于宋军奋勇作战，金军企图未能得逞。盛夏酷署，金军给养不足，人马饥渴，大量饮食被宋军施放了毒药的水草，中毒病倒者甚众。刘锜又乘烈日当空的中午，时而派遣数百人于西门扰敌，时而又从南门袭击，大败金军。
十日，风云突变，大雨倾盆，天气于金军不利，金军又屡攻不下，士卒死亡病疾又多，不得不改变方案，企图长期围困顺昌，于是移营城西，掘壕列陈，与宋军相峙。为了推垮金军，刘锜派100多名骑兵，或乘雨大作，或乘大雨停歇，不间断地袭扰金军，重创金军于城外。
十一日，金军中又打响战鼓，刘锜不动声色，密切注视金军动向，并抚恤阵亡之宋军将士家属，再励士气。金军久攻不下，士气低落，兀术开始引兵退走。刘锜乘此时机，全军出动，尾随追击，大败金军。
十二日，金兀术被迫率全部金军撤走顺昌回开封，顺昌保卫战取得了彻底胜利。
刘锜所部不满2万，其主力是原来王彦率领的著名的“八字军”。但能出战者只有5000。刘锜率领将士同心协力，坚决抵抗，采取了正确的战略策略，这就是先发制敌，挫敌锐气；麻痹敌军，制造战机；以逸待劳，乘其不备。加之城内居民的广泛支持，终于以少胜多，以劣胜强，大灭了金军的嚣张气焰，挡住了金军自两淮南侵的锋芒。这一战是金军南侵以来遭到的最重大的惨败之一，震撼了金国统治者。出使金国的洪皓，曾就此战奏报宋高宗说：“顺昌之役，敌震惧丧魄，燕之珍宝悉取而北，意欲捐燕以南弃之。”顺昌大捷沉重打击了金军主力部队，因而对宋军抗金的战局产生了重大影响，它策应了宋军在东、西两翼及西京地区的作战，从而全线抑制了金军的攻势，为南宋军民大举反攻金军创造了良好的条件。当顺昌之战激烈进行时，进攻陕西、京西、淮东的金军也分别为宋将吴璘、岳飞、韩世忠所败，金军再次发起的全面进攻又以失败而告终。刘锜因此战功，被宋高宗授予武泰军节度使、侍卫马军都虞侯、知顺昌府、沿淮制置使等职。