Замысел Карла XII (перебежчик из числа наемных иноземцев дал точные сведения о расположении русских войск) состоял в том, чтобы расчленить армию Петра I и разбить ее по частям. Главный удар наносился против правого фланга с целью захватить мост через остров Кампергольм и тем самым лишить противника единственной речной переправы. Инициатива в действиях была в руках короля Карла XII, поскольку командование противника само отказалось от каких-либо активных действий.

Одна часть королевской армии (11 батальонов и 22 эскадрона) под командованием генерала графа Отто Веллинга наступала правее высоты Германсберг. Другая (10 батальонов, 21 эскадрон и 21 орудие) под начальством генерала графа К.Г. Рёншильда (автора плана атаки) – левее этой высоты. К тому времени шведский гарнизон Нарвы был уже готов совершить вылазку в тыл русской позиции. Резерв королевской армии состоял из 13 конных рот. Две сомкнутые колонны шведов должны были разорвать боевую линию противника, овладеть его артиллерией, соединиться с крепостным гарнизоном и опрокинуть русских в реку Нарову.

В начале сражения русские войска упорно оборонялись, хотя вскоре много наемных офицеров-иноземцев во главе с герцогом де Кроа перебежали к врагу. Первой оставила поле боя в самый разгар сражения конница дворянского ополчения Б.П. Шереметева, которая вброд (или вплавь) перешла на правый берег Наровы. При переправе через реку более тысячи всадников с конями утонуло. То, что в битве поместная конница не упорствовала, есть исторический факт.

Так пишется во многих источниках и исторических работах. Однако по «Отпискам» Шереметева картина выхода русской конницы из сражения выглядит совсем иной. По ним конное ополчение (оно не преследовалось) отступило по левому берегу Наровы до Сыренска, там переправилось по мосту через реку и через Гдов прибыло в Псков. Это подтверждает схема Нарвского сражения, которая хранится в государственном архиве Австрии. В силу этого и потери поместной конницы должны быть в несколько раз меньше.

Дивизия Трубецкого, а также полки правого крыла дивизии Вейде и левого крыла дивизии Головина после отчаянного рукопашного боя в метель, лишившись многих командиров-иноземцев, не выдержав атаки шведов, начали отступать из апрошей. Но при этом складывать оружие перед атакующим неприятелем русские не собирались.

К 14 часов шведам удалось в двух местах прорвать боевой порядок русских. Их недавно сформированные полки, не имевшие боевого опыта и брошенные наемными офицерами, стали, теснимые шведами, в беспорядке отходить к единственной переправе через реку. Наведенный понтонный мост через Нарову не выдержал тяжести людских масс и разорвался. В это время по нему проходили полки дивизии Головина.

Тем временем укрепившиеся в вагенбурге вчерашние «потешные» гвардейские Преображенский и Семеновский полки (имевшие в строю только младших офицеров!), вобрав в себя тех, кто не успел уйти на другой берег, стойко отразили все атаки шведов. Они успешно отбивались ружейными залпами в упор или контрударами в штыки. Защита вагенбурга на уровне рот и батальонов велась успешно.

На левом крыле упорно оборонялась большая часть дивизии генерала Адама Вейде, которая остановила перед собой наступление колонны генерала Веллинга. Шведы и здесь оказались бессильны взять верх над оборонявшейся пехотой противной стороны. Примерную стойкость показал «старый» Лефортовский полк, имевший высокую выучку.

Король Карл XII лично водил шведские батальоны колонны генерала Рёншильда в атаку на русскую гвардию, но каждый раз с большими потерями отступал от вагенбурга, который прикрывал собой мост через Нарову. Здесь ожесточенный бой продолжался несколько часов: в итоге шведы не смогли даже потеснить к речному берегу стойко державшихся преображенцев и семеновцев. Именно здесь шведы понесли в битве самые большие потери.

Историк Н.Г. Устрялов писал в своей «Истории царствования Петра Великого» о том эпизоде Нарвского сражения: «Ободренные присутствием государя, шведы несколько раз бросались в атаку; но тщетно: огородив себя повозками артиллерийского парка, русские были непоколебимы и отразили все усилия неприятеля. Наступившая ночь прекратила битву».

Наступившая темень только усугубила беспорядок в рядах противников. Те шведские солдаты, которым на пути попался русский обоз с провиантом, перепились. Был случай, когда два королевских батальона, в темноте приняв друг друга за неприятеля, вступили между собой в бой. Карл XII стал понимать, что победа может ускользнуть из его рук, так как силы шведской армии были слишком малы для полного разгрома русских. Утро следующего дня грозило изменить ситуацию.

Сражение продолжалось еще несколько часов. Отсутствие единого командования, потеря почти всей артиллерии, разделение армии на две изолированные части не позволило русским генералам организовать оборону и вынудило их пойти на переговоры с противником и капитулировать на условиях сохранения личного оружия (за исключением артиллерии, которая уже находилась в руках шведов) и знамен. Это соглашение было подписано в ночь на 20-е число командирами дивизий генералами Ф.А. Головиным, князем Н.Ю. Трубецким и генерал-фельдцейхмейстером грузинским царевичем Александром Арчиловичем (Александром Имеретинским), командовавшим артиллерией. Ситуацией они не владели.

На такое решение повлияло то, что петровский генералитет не имел точных сведений о реальной обстановке, которая была угрожающей, но не в такой степени, чтобы прекращать битву и складывать оружие перед врагом. Повлияло и то, что командующий армией фельдмаршал герцог де Кроа из шведского стана отдал приказ прекратить сопротивление. После сражения король Карл XII наградит перебежавшего в его лагерь австрийского фельдмаршала тысячью пятьюстами золотыми червонцами и будет «сажать его кушать за свой стол». Однако брать титулованного перебежчика на свою службу он не стал, хотя герцог того сильно желал.

К тому времени русская армия, потерявшая большую часть артиллерии, была разделена на две части, но не сломлена. Каждая из этих частей (правый и левый фланг армейской линии) по численности равнялась всей королевской армии. И что самое главное, продолжала сражаться. Один из очевидцев сражения, королевский камергер граф Вреде признавал в своих мемуарах: «Если бы русский генерал, имевший до 6 тысяч под ружьем, решился на нас ударить, мы были бы разбиты непременно: мы были крайне утомлены, не имея ни пищи, ни покоя несколько дней, притом же наши солдаты так упились вином, которое нашли в русском лагере, что невозможно было немногим оставшимся у нас офицерам привести их в порядок».

Карл XII, не считая свое положение прочным и видя состояние своей армии, охотно согласился на предложение генералов русского царя провести переговоры. В ходе их было достигнуто соглашение, по которому шведы должны были беспрепятственно пропустить русские войска на правый берег Наровы с личным оружием и знаменами. Король отказался только выдать уже взятую артиллерию, свои главные и желанные трофеи, на что генералам противной стороны пришлось согласиться. Шведы начали починку разорванного понтонного моста.

Утром 20 ноября 1700 года мост через Нарову был починен, и русские войска стали отходить из своего осадного лагеря на другой берег реки. После того, как перешла дивизия Головина, гвардейские Преображенский и Семеновский полки (их батальоны шли с распущенными знаменами, с полковыми пушками и под барабанный бой), король Карл XII вероломно нарушил достигнутое соглашение и свое слово. Он потребовал, чтобы полки левого крыла (дивизия Вейде) отходили без оружия. В противном случае шведы, в руках которых оказалась большая часть лагеря и почти вся артиллерия, находившаяся в нем, грозили применить силу.