В ночь с 17 на 18 ноября царь «покинул армию». Чаще всего историки утверждают, что, «оценив обстановку, Петр I решил отъехать из-под Нарвы в Новгород с тем, чтобы подготовить к обороне располагавшиеся там войска и одновременно ускорить присылку под Нарву подкреплений и боеприпасов». Но есть и другое мнение. Исследователи, которые его придерживаются, утверждают, что Петр трусливо бросил армию, что и привело в конечном счете не просто к поражению, а к катастрофе. У обычно смелого царя и до этого, и после бывали приступы беспричинного страха.
Вместо себя Петр назначил командующим австрийского герцога де Кроа, поступившего на русскую службу лишь два месяца назад (в сентябре 1700 г.). Сразу же после отъезда царя у герцога возник конфликт с его заместителем князем Я. Ф. Долгоруковым. Утром 18 ноября герцог де Кроа созвал военный совет для обсуждения вопроса о способе действий против шведской армии. Почти все участники его высказались за то, чтобы обороняться на занимаемой позиции. Лишь один Б. П. Шереметев предложил выйти из укреплений и атаковать шведов, но это предложение было отвергнуто. Инициатива действий оставлялась противнику.
К этому времени Карл XII стоял уже на ревельской дороге в деревне Лагены, в 10 км от русского лагеря. В его распоряжении находился 21 батальон пехоты, 46 эскадронов конницы (всего 12 тысяч человек) при 38 пушках.
Рано утром 19 ноября Карл XII выступил из Лаген, но не пошел по большой дороге, а двинулся южнее, через лес, по едва проходимым тропинкам. Шведы скрытно подошли к русскому лагерю, и когда около 11 часов утра они показались из леса, герцог де Кроа принял их немногочисленную армию за авангард главных сил, не предполагая, что король рискнет атаковать такими слабыми силами. Между тем Карл XII, захватив беспрепятственно возвышенность Германсберг, приказал строить боевой порядок. Оценив обстановку и выяснив растянутость русской армии, король решил, не увлекаясь действиями на правом фланге противника (путь отступления), прорвать его центр и, разделив на две группы, бить его по частям.
Шведская армия развернулась по обе стороны горы Германсберг. 11 батальонов и 24 эскадрона генерала Виллинга были направлены южнее Германсберга для атаки дивизии князя Трубецкого, а 10 батальонов и 12 эскадронов при 21 орудии генерала Реншильда должны были наступать севернее этой горы на полки Головина. Артиллерия майора Аппельмана должна была поддержать атаку правого крыла и служить связью между обеими колоннами. 12 эскадронов составляли резерв и были направлены за войсками Реншильда.
Бой начался канонадой с обеих сторон, продолжавшейся до 2 часов дня. Карл XII медлил бросаться в рукопашный бой, надеясь вызвать русских в открытое поле и тем самым избежать штурма укреплений лагеря, но, видя, что противник не покидает своих позиций, он приказал идти в атаку. Шведам удалось достичь внезапности, скрытно подведя войска под прикрытием интенсивного артиллерийского огня. Русские же ничего не предпринимали и только отстреливались. Момент для атаки был выбран очень удачно.
Небо покрылось тучами, поднялась метель при сильном холодном ветре, бившая прямо в глаза русским. Забросав ров фашинами, шведы ворвались в укрепление и атаковали с обоих флангов войска князя Трубецкого. Центр был прорван, опрокинутые части Трубецкого побежали, увлекая и левый фланг Головина. «Немцы нам изменили», – раздались крики обезумевших солдат, начавших избивать своих офицеров. Герцог де Кроа, генерал Алларт, саксонский посланник Ланген и командир Преображенского полка Блюмберг предпочли для собственной безопасности сдаться в плен.
Наступление шведов вызвало панику в поместной коннице Шереметева. Даже не будучи атакованной, она бросилась в реку Нарову близ порогов и, потеряв до тысячи человек утонувшими, перебралась на другой берег.
Между тем шведы, покончив с центром, двинулись левой колонной к мосту у острова Хампергольм, а правой – к деревне Юала. Однако, несмотря на критическое положение русской армии, на обоих флангах они встретили упорное сопротивление. На левом фланге центром сопротивления стала дивизия генерала Вейде, который успел привести войска в порядок. На правом же фланге успешно сопротивлялись Преображенский и Семеновский полки. Впоследствии Петр I приказал солдатам обоих полков носить красные чулки в память о том, как они отбивались от неприятеля, стоя по колено в крови.
Тем не менее тысячи солдат в панике устремились к единственному понтонному мосту через реку Нарову. Естественно, мост не выдержал и разошелся.
Ночью князь Я. Ф. Долгоруков, посовещавшись с боярами А. М. Головиным и И. И. Бутурлиным, а также с начальником артиллерии (генерал-фельдцейхмейстером) имеретинским царевичем Александром Арчиловичем, решил капитулировать. К шведам немедленно были посланы парламентеры.