Ранним утром 8 сентября главные силы дивизии Николаевских полков двинулись на село Левенка, где располагались, как утверждал Иван Кутяков, около трех тысяч солдат и офицеров Народной армии. Атака 4-го полка была отражена, противник перешел в контратаку, но получил сильный удар с флангов от главных сил чапаевской дивизии. Начдив вовремя оказывался там, где создавалась критическая ситуация, его присутствие воодушевляло красноармейцев и командиров, которые сумели сломить сопротивление неприятеля и выйти ему в тыл. Части Народной армии попытались закрепиться в селе Липовка, но не смогли удержать свои позиции и отступили на север.
Как отмечал в донесении штаб дивизии, бой был крайне упорным, противник неоднократно пытался перехватить инициативу и переходил в контратаки. Смертельное ранение в бою получил командир 2-го полка Курсаков, были убиты помощник командира 3-го полка Чуркин и командир батальона Спицын. Потери красноармейцев были велики, кроме того, на сторону противника перешли 40 крестьян, мобилизованных в селе Брыковка.
Чапаев не только умело руководил ходом сражения, но и неоднократно появлялся в боевых порядках, в стрелковых цепях и на артиллерийских позициях, ободрял неопытных красноармейцев, закреплял успех. Личным примером начдив смело поднимал своих бойцов в атаку.
Противник понес серьезное поражение, в донесении указывалось, что только убитыми противник потерял до тысячи человек, захвачены десять пулеметов, много винтовок и 250 подвод со снарядами. Вероятно, личное участие Чапаева, чья слава гремела не только в Красной армии, но и в рядах неприятеля, отчасти деморализовало народоармейцев и чехов, которые почувствовали опасность обхода и окружения.
Сергей Захаров телеграфировал: «Приветствую вас, весь командный состав и доблестных красноармейцев вверенной мне дивизии. Приношу сердечную благодарность за храбрый подвиг в с. Орловка над врагами трудового народа и революции. Вы, товарищи, не раз показывали себя славными героями в защите власти трудового народа и социальной революции. Надеюсь и впредь вы послужите примером вашим товарищам на страх врагам и их наемникам».
В тот же день штаб 4-й армии также отметил заслуги Чапаева и его бойцов: «Бой был жестокий, которым должна была решиться судьба Николаевска и его уезда. Но благодаря тому, что в цепи были как красноармейцы, так и все начальствующие лица, включительно до врид (временно исполняющего должность. —
Сейчас нам трудно оценить, насколько достоверны данные о трофеях сентябрьского боя с частями Народной армии и чехословацкими войсками. Очевидно, что они понесли серьезное поражение, сказавшееся на всем ходе боевых действий на правом фланге Восточного фронта. Вечером 12 сентября Чапаев вновь отправился в Николаевск. Он устало отрапортовал исполкому: «Объединенные силы белой армии и чехов разбиты и в панике бежали».
Можно сказать, что победа, которую одержали Чапаев и его бойцы над Народной армией и чехами под Николаевском, стала вкладом в коренной перелом боевых действий на Восточном фронте осенью 1918 года в пользу Красной армии. 10 сентября части 3-й армии отбили у белых Казань, 12 сентября заняли Симбирск.
Уральские казаки, узнав о провале наступления союзников, отошли из района станции Рукополь на восток, части Народной армии были связаны оборонительными действиями и не могли помочь войскам, действовавшим под Вольском и Хвалынском. 12 сентября группа Махина вынуждена была оставить Вольск, а 17 сентября — Хвалынск. Последний Народная армия вскоре отбила и удерживала до 29 сентября, но это был частный успех, не повлекший перелома в боевых действиях.
Федор Махин, один из противников Чапаева на поле боя, прожил долгую и яркую жизнь. После неудачных боев под Самарой бывший казак Махин попытался в декабре 1918 года свергнуть оренбургского атамана Александра Дутова, после пресечения заговора уехал в Омск. Там он признался, что не может служить военной диктатуре, и отбыл в эмиграцию. После странствий по Европе поселился в Королевстве Сербов, Хорватов и Словенцев (впоследствии — Югославия), где нередко конфликтовал с большинством белоэмигрантов, которые обвиняли его в антигосударственной деятельности и большевизме. В 1939 году Махин вступил в компартию Югославии и установил контакт с советской разведкой. С началом немецкой оккупации ушел в подполье, затем служил в партизанских отрядах, где сблизился с Иосипом Броз Тито. В 1944 году Махин стал начальником исторического отделения Генерального штаба Югославской народной армии, приезжал в СССР. Вскоре после поездки, в июне 1945 года, Махин умер, немного не дожив до 63 лет (что породило версию о возможном отравлении его НКВД), и был похоронен в Белграде с воинскими почестями, его именем названа одна из городских улиц.