Сражение, однако, началось на следующий день, до подхода подкреплений. Предварительно разрушив мосты через речку у деревни Долгие Мхи, шведы расположились на возвышенном берегу и, как только подошла конница корволанта, начали обстрел ее из пушек. Со стороны корволанта тоже ответили артиллерийским огнем. Дуэлью дело и закончилось: «…все войско неприятельское из виду ушло, и наступила ночь». Под ее покровом русские восстановили два моста, переправились через речку и настигли неприятеля у деревни Лесной. Здесь и развернулась битва, ставшая важной вехой в истории Северной войны. Сражение началось с полудня 28 сентября и закончилось с наступлением темноты — в восемь вечера. Оно протекало, как засвидетельствовал сам Петр, с переменным успехом: «И неприятель не все отступал, но и наступал, и виктории нельзя было во весь день видеть, куды будет».
Победу корволанта в значительной мере определил удачный выбор места сражения. Оно представляло окруженную лесом поляну, что ограничивало маневр шведов и лишало их возможности ввести в бой весь наличный состав корпуса. Таким образом, Левенгаупт не мог в полной мере извлечь выгоды из своего численного превосходства в живой силе. Петр полностью оценил преимущества сражения в лесистой местности. «Только зело прошу, — наставлял царь Ф. М. Апраксина на тот случай, если он будет сражаться со шведами в Ингрии, — чтоб не гораздо на чистом поле, но при лесах, в чем превеликая есть польза (как я сам видел), ибо и на сей баталии, ежели б не леса, то б оные выиграли, понеже их шесть тысяч больше было нас».
«Гистория Свейской войны» сообщает любопытную деталь сражения: через несколько часов боевых действий «на обе стороны солдаты так устали, что более невозможно биться было, и тогда неприятель у своего обоза, а наши на боевом месте сели и довольное время отдыхали, расстоянием линий одна от другой в половине пушечного выстрела полковой пушки или ближе». Отдохнув часа два, противники возобновили сражение, исход которого решили подоспевшие драгуны Боура. Под напором свежих сил шведы дрогнули и начали беспорядочно отступать в лес. Во время многочисленных атак и контратак, доходивших до рукопашных схваток, полегло восемь тысяч шведов. Архиепископ Феофан Прокопович писал: «И так паки великой бой запалился, где такая с обеих рук была запальчивость, что пехота уже палашами рубилась».
Левенгаупт решил спасти остатки разгромленного корпуса от полного истребления и вновь пошел на хитрость: ночью он велел жечь телеги, создавая видимость, что солдаты греются у костров, а сам под покровом темноты бежал в сторону Пропойска. Это было не отступление, а именно бегство. По свидетельству барона Г. фон Гюйссена, «остатки шведского войска под защитой темноты наскоро чрез речку, которая у них в тылу была (Сож), в совершенном смущении спастися трудились, и ни генералов, ни офицеров уже не слушались, и как кавалерия, так инфантерия, смешався, бежали». Шведский лейтенант ф. К. Вейе тоже отмечал неорганизованность отступления: «Та ночь была настолько темной, что нельзя было разглядеть даже протянутой руки. Кроме того, никто из нас не знал местности, и мы должны были блуждать по этим страшным и непролазным лесам по грязи, при этом или вязли в болотах, или натыкались лбами на деревья и падали на землю». Левенгаупт пытался захватить с собой остатки обоза и артиллерии, но из этого ничего не вышло. «В пути наши пушки, — свидетельствовал Вейе, — завязли в болоте, и не было сил их вытащить, так как колесами сотен телег дорогу настолько разбили, что вряд ли можно было передвигаться по ней даже верхом». Впрочем, и то, что было довезено до Пропойска, пришлось предать огню.
Утром 29 сентября русские, всю ночь находившиеся в боевой готовности, не обнаружили шведов. Их взору предстало поле, усеянное трупами. Победа была полной. В течение дня царь одно за другим отправляет письма друзьям, в каждом из которых можно обнаружить любопытные детали. То он извещал корреспондента, что «сии все были природные шведы и ни одного человека не было во оном корпусе иноземца»; то несколько часов спустя уведомлял, что «сия виктория еще час от часу множится и непрестанно разбитых неприятелей наши стали в обоз приводят, между которыми есть довольное число и офицеров». Итоги битвы царь подвел в письме своему любимцу Александру Васильевичу Кикину: «Только сие истинно, что Левенгаупт со всем корпусом пропал».
Очевидец сражения с русской стороны писал: «Редко где упорнее и задорнее сражение бывало. Никогда до того времени Русские так себя знать не дали, и свою храбрость лучше не оказали, как при оном случае, что и сам Левенгопт засвидетельствовал (когда Король Шведский Русских уничтоживая, а его укоряя, в робкость ему приписал, что дал себя победить таким, которых без оружия, одними плетьми смирить было можно) не обинуяся сказал, что и Русские солдаты (которым, так плохо ставит) люди и скоро-де Ваше Величество с своим накладом их мужество узнает».