В это время к месту боя подошла русская правая колонна. Петр I лично возглавил контратаку шедшего головным лейб-гвардии Семеновского полка и батальона Астраханского пехотного полка, оказав помощь левой колонне. Одновременно лейб-гвардии Преображенский полк обошел левое крыло шведов, опрокинул их и вытеснил из перелеска. Отбив у шведов взятые ими пушки, русские войска захватили 2 орудия и 4 знамени противника.

Около 13 часов дня корволант строем в 2 линии (1-я – 8 батальонов пехоты и по 2 драгунских полка на флангах, 2-я – 6 драгунских полков и в центре 2 пехотных батальона) атаковал позицию главных сил корпуса генерала Левенгаупта, где встретил упорное сопротивление. После 2-часового огневого боя понесшие большие потери шведы отступили в вагенбург. Там их пехота и кавалерия (она встала только на правом фланге) перестроились в одну боевую линию.

Около 17 часов левый фланг боевых порядков русских войск усилился подошедшей кавалерией Боура: две бригады (8 драгунских полков), 4076 человек. Теперь численное превосходство было не на стороне шведов. Это позволило Петру I перебросить на правый фланг 2 драгунских полка и возобновить атаку. Русские потеснили левый фланг противника, создали угрозу захвата моста через Леснянку и отсечения главных сил Левенгаупта от дороги на город Пропойск.

Русские солдаты за день четырежды набивали патронные сумки зарядами для фузей. Фузеи раскалялись до того, что их нельзя было держать в руках. Залпы плутонгами (взводами) и батальонами следовали один за другим. Шведы отвечали тем же. Та и другая сторона демонстрировали высокий уровень боевой выучки. Огневой бой, длившийся четыре часа, получился впечатляющим, патроны не жалелись.

Однако шведы благодаря возвращению отряда, сопровождавшего к Пропойску часть обоза, смогли удержаться в вагенбурге. Штурм его носил самый ожесточенный характер. По шведским источникам, защитники вагенбурга до сумерек выдержали десять атак русской пехоты, понеся большие потери. Дело доходило до рукопашных схваток.

Участник сражения при Лесной шведский лейтенант Вейе писал в своем походном дневнике: «С обеих сторон начался такой страшный огонь, что отдельных выстрелов уже нельзя было отличить, и на протяжении получаса ничего не было слышно и видно, кроме грома и вспышек. Ветер гнал нам прямо в лицо снег, дождь и дым. Этим в итоге воспользовался противник, наседая на нас всеми своими силами из леса, пронзая наших пиками и штыками раньше, чем они успевали рассмотреть врага. Рукопашная была очень жестокая, и русские погнали нас…»

Около 19 часов наступившие сумерки и усилившийся снегопад с порывистым ветром (началась сильная метель) вынудили противников остановить сражение. Они уже не видели друг друга. Русские отошли на исходные позиции у перелеска: измученные за день голодные люди засыпали прямо на снегу. Около 22 часов прекратилась артиллерийская канонада.

Ночью Левенгаупт, бросив вагенбург (четыре тысячи груженых телег), гурты скота, раненых и всю артиллерию (пушки вязли в болоте), посадил пехоту на обозных лошадей и скрытно, маскируя отход бивачными огнями (подожгли часть обозных фур), отступил через лес к Пропойску. При этом отступавшим шведам, не имевшим проводников, пришлось ночью блуждать в лесу, ударяться лбами о деревья и падать на землю.

При отходе более 1 тысячи шведских солдат, заблудившись в лесу, отстали от корпуса, но позже, повернув назад, сумели добраться до Лифляндии, избежав плена. Когда они появились под Ригой, их всех объявили дезертирами. Офицеров по распоряжению короля Карла XII отдали под суд: следствие велось до 1712 года.

29 сентября шведы прибыли в Пропойск, мост через реку Сож был разрушен, а на другом берегу реки оказались русские драгуны. Донские казаки и калмыки, преследовавшие по пятам бежавшего неприятеля, у Пропойска в смелой атаке отбили у него 2 тысячи подвод с провиантом. Шведы защитить их не смогли. Под Стародубом был разбит отряд, отставший от Лифляндского корпуса, потерявший убитыми 318 человек и одно знамя.

Бросив оставшуюся малую часть обоза и уничтожив боеприпасы (порох и заряды кинули в Сож), Левенгаупт двинулся вниз по реке для поиска переправы. В тот же день русский кавалерийский отряд генерал-лейтенанта Г. Пфлуга, посланный Петром I преследовать шведов, захватил в городе Пропойске 745 пленных.

За 2 дня боев корпус Левенгаупта потерял 6397 человек (по другим данным, 8,5 тысяч) убитыми, ранеными и пленными, в том числе 45 офицеров, а также 44 знамени и штандарта (10 кавалерийских), всю артиллерию. Самые большие потери понесла пехота – больше половины своего состава.

Утраченным оказался и весь огромный обоз: 7 тысяч тяжелых повозок с везомым на них грузом: провиантом, боеприпасами, порохом, амуницией. Это было то, в чем все больше нуждалась главная королевская армия. Теперь шведам, еще имевшим немалые запасы пороха и боевых зарядов, приходилось их экономить, а часть превратить в неприкосновенный запас на самый крайний случай походной жизни.

Потери русских войск в сражении при Лесной на Витебщине составили 1111 убитых и 2856 раненых. У историков достоверность этих цифр не вызывает сомнений и споров. Они оказались несравненно малы по сравнению с уроном, понесенным противником. Уже одно это свидетельствовало о том, что боевые возможности петровской армии оказались намного выше, чем думалось ее противникам.

Царь Петр I на радостях 29 июня отправил одиннадцати адресатам письма с объявлением виктории и поздравлениями по случаю одержанной «знатной победы». Первое было отправлено в Москву князю-«кесарю» Ф.Ю. Ромодановскому. Последнее – союзному польскому королю Августу II. В письме азовскому губернатору стольнику И.А. Толстому говорилось:

«…Сия виктория еще час от часа множитца, понеже непрестанно беглых или разбитых шведов стаями нагоняют и приводят в наш обоз, и мочно видеть, как оной корпус вконец разорился. Сии все были природные шведы и ни одного человека не было во оном корпусе иноземца и сею викториею вам поздравляю».

О разгроме Лифляндского корпуса генерала Левенгаупта написано много. Петровская оценка сражения при Лесной изложена в «Гистории Свейской войны». О том в ней говорится так: «Сия у нас победа может первая назваться, понеже над регулярным войском никогда такой не бывало; к тому же еще гораздо меньшим числом будучи над неприятелем. И поистине оная виной всех благополучных последствий России, понеже тут первая проба солдатская была, а людей, конечно, ободрила, и мать Полтавской баталии, как ободрением людей, так и временем, ибо по девятимесячном времени оное младенца счастье принесла».

Участники сражения при Лесной были награждены массово выбитой серебряной медалью с изображением царя на коне, над головой которого две Славы держали корону с надписью «Достойному достойное». Князь Аникита Репнин, доблестно сражавшийся простым солдатом (разжалованный за Головчино), был высочайше прощен и восстановлен в прежнем генеральском чине…

Отряды русских драгун преследовали уходивших шведов на всем протяжении их дальнейшего пути, нападая на отставшие отряды. 30 сентября Левенгаупт удачно для себя переправился через реку Сож у деревни Глинки и после форсированного марша на Северщину 15 октября с остатками своего деморализованного Лифляндского корпуса (6503 человек) присоединился к королевской армии.