К 7 часам утра Репнин понял, что основной удар шведов обрушился на него. По просьбе Репнина на помощь его теснимой шведами пехоте было брошено 1200 драгун Гольца, которые налетели на пехотинцев Карла с правого фланга. Карла выручил Реншильд: шведская кавалерия еще не вступала в бой и находилась на другом берегу реки, когда он заметил приближение русской конницы. С четырьмя эскадронами конной гвардии численностью в 600 человек он поскакал через реку и столкнулся с русской конницей прежде, чем та успела смять шведскую пехоту. Сеча была кровавой, и шведы с трудом отражали натиск вдвое превосходящего противника. Но из-за реки им на подмогу подходили свежие эскадроны; атака русских захлебнулась, и они отступили в леса.
Таким образом, попытка русской кавалерии прорваться и атаковать шведскую пехоту не удалась, и русские пехотинцы остались один на один с наступавшими шведами. Через реку переправлялась свежая шведская пехота, и наступление не останавливалось ни на миг. Как и замыслил Карл, противник не выдержал яростного напора, сосредоточенного на одном участке обороны. Солдаты Репнина дрогнули, подались назад, шеренги потеряли равнение, а потом распались, и войска, оставив лагерь и артиллерию, рассыпались на подразделения и отступили в леса.
Было 8 часов утра. Неожиданной, стремительной атакой Карл добился победы над корпусом Репнина, но стоявший на севере, за болотом, корпус Шереметева в деле не участвовал. Поначалу, заслышав стрельбу и увидев, что шведы атакуют Репнина через реку, Шереметев послал ему подмогу, но, как и предвидел Карл, помешало болото. Когда Карл развернул войска, чтобы встретить Шереметева, в этом уже не было необходимости. Памятуя о наказе Петра не рисковать всей армией, русский фельдмаршал стал отходить к Могилеву и Днепру.
Битва под Головчином была первым серьезным столкновением русских и шведских войск с тех пор, как, почти год назад, Карл выступил из Саксонии в свой долгий поход. Формально шведы одержали победу. Они атаковали и захватили сильную позицию противника. Шведская кавалерия дралась превосходно и сумела отразить заметно превосходящие русские силы. Король был в гуще сражения, выказал большое личное мужество и не получил даже царапины. Русские снова отступили, и дорога на Днепр была открыта. Легенда о непобедимости шведов осталась непоколебимой.
Однако прибывший позднее Петр, узнав о ходе сражения от Меншикова, остался в общем доволен. Безусловно, его тревожило то, что войскам пришлось оставить еще один водный рубеж, но, во-первых, в деле участвовала только треть дислоцированной здесь армии; а во-вторых, на нее обрушилась вся мощь прославленной шведской пехоты во главе с самим королем. Солдаты Петра ожесточенно бились четыре часа и не были разбиты наголову, а отступили, отстреливаясь и сохраняя порядок, и когда в конце концов оставили поле боя, то не бежали беспорядочной толпой, а рассыпались на подразделения, которые могли соединиться и снова вступить в бой. Потери русских составили 997 человек убитыми и 675 ранеными, у шведов было убито 267 человек и ранено более тысячи. При подсчетах, однако, следует учитывать то обстоятельство, что Петр мог возместить свой урон, тогда как шведская армия таяла с потерей каждого солдата.
Петр приказал провести дознание: какие полки стояли твердо, а какие не исполнили свой долг. Некоторые командиры в полной мере испытали на себе царский гнев. Репнин был предан военному суду и временно отстранен от командования. На четвертый день после баталии, в Шклове, состоялся общий военный совет, который пришел к решению не пытаться оборонять Могилев на Днепре, а отступать по Смоленской дороге к Горкам. Но прежде казакам и калмыкам велено было исполнить свое дело. Царским приказом весь край был обречен на опустошение – чтобы шведы-победители шли по выжженной земле.
Удовлетворен был и Карл, известивший о новой победе Стокгольм и все европейские дворы, однако его не могла не беспокоить перемена в поведении русских войск. Битва под Головчином открыла ему глаза на то, что русская армия уже не та беспорядочная толпа, которая бежала от него под Нарвой. В этой баталии силы противников были почти равны, и русские сражались достойно. Джеффрис признал, что «московиты хорошо усвоили преподанный им урок и произвели немалые усовершенствования в делах военных, и когда бы их солдаты выказали хотя бы половину той храбрости, какую явили офицеры (по большей части иностранцы), неизвестно, чем бы закончилась для нас последняя схватка».