Германцы объединенными силами нескольких пехотных и кавалерийских дивизий из состава 1-го корпуса обрушились на правофланговую 28-ю русскую дивизию, обошли ее и после тяжелого упорного боя принудили ее отойти на восток, причем части ее заняли к вечеру линию Колбасен — Тутшен. Затем немцы решили повторить такой же маневр со следующей соседней 29-й русской дивизией. Части их 1-го корпуса, действовавшие против 28-й дивизии, остановились, пройдя около 20 км по шоссе Гумбинен — Куссен, а их 1-я кавалерийская дивизия распространилась на восток до Пилькалена и на юг до деревень Виткампен, Грибен, Швиргален в направлении на Шталюпенен, производя панику в тылах 20-го русского корпуса. Русская отдельная кавалерийская бригада генерала Орановского, получившая задачу — охранение правого фланга армии, отошла к Шиленен, где простояла весь день боя 20 августа, не давая никакого отпора обходящему противнику. Как только части 1-го германского корпуса поднялись из своих окопов и пошли густыми колоннами в атаку против 29-й русской дивизии, они попали под губительный огонь русской артиллерии, понесли огромные потери, остановились и залегли, а потом начали в беспорядке отходить. Таким образом, 29-я русская дивизия стойко отбила все атаки частей 1-го германского корпуса, но чтобы обезопасить свой правый фланг, ставший угрожающим вследствие отхода соседней 28-й дивизии, отошла к вечеру немного к востоку на линию Кумельн — Шоршинелен.
Командир 17-го германского корпуса, расположенного южнее 1-го корпуса, генерал Макензен, около 9 часов утра 20 августа получил сообщение об успехе первоначальных действий 1-го корпуса и об отступлении под его давлением 28-й русской дивизии. Намереваясь развить успех, достигнутый 1-м корпусом, и осуществить вместе с ним шлиффеновские клещи, Макензен усилил свою правофланговую 36-ю дивизию одним полком и батареей и бросил свои войска в атаку в охват левого фланга русских в общем направлении на Энцунен. При этом он плохо представлял себе расположение и силы атакуемых русских частей, так как разведка дала ему неправильные сведения. Отход русских сторожевых частей Макензен принял за отступление главных сил противника. Части 35-й и 36-й германских дивизий 18-го корпуса атаковали 25-ю, 27-ю и 40-ю русские дивизии.
Авангард 25-й дивизии подвергся неожиданному нажиму превосходных сил 35-й германской дивизии и стал отходить от Зодинелен, чем поставил в трудное положение не только другие части 25-й дивизии, но и правый фланг соседней 27-й дивизии. Германские части 35-й дивизии к 14–15 часам доходили почти до дороги из Ширгупенен в Ионасталь. Однако благодаря упорству правофлангового полка 25-й дивизии, отличным действиям батарей 25-й артиллерийской бригады и 3-го мортирного дивизиона, встретивших атаку немцев сосредоточенным уничтожающим огнем, а также стойкости и помощи 27-й дивизии, 25-я дивизия удержала напор немцев и к вечеру восстановила положение, захватив много пленных.
Что касается 27-й русской дивизии, то она не отошла ни одного шага, несмотря на временный отход соседей справа и слева — частей 25-й и 40-й дивизий, отбила все атаки немцев, уничтожив их два полка совершенно и нанеся огромные потери еще трем полкам. В конце боя она перешла в решительное общее наступление и овладела полем, сражения, захватив 12 орудий, 24 зарядных ящика, более 1 000 пленных, много оружия и другого военного имущества. В сражении 20 августа 27-я русская дивизия явилась тем камнем чрезвычайной твердости, о который разбились главные усилия немцев.
Уже в середине дня 20 августа стало очевидно, что неудача постигла войска немцев, а около 16 часов они стали отступать, местами в большом беспорядке.
На левом фланге 1-й русской армии части 40-й дивизии и 30-я дивизия, направленные утром 20 августа командиром 4-го корпуса на Даркемен, столкнулись с частями 1-го германского резервного корпуса на фронте Кяутен, Курненен, Вилькатшен и удержались на указанной линии до вечера, когда немцы отошли. Действующая в районе юго-западнее Гольдап 5-я стрелковая бригада фактического участия в бою 20 августа не приняла. Остававшаяся на прежнем месте к югу от Гольдапа 1-я кавалерийская дивизия генерала Гурко продолжала разведку на левом фланге своей армии.
Проиграв сражение 20 августа, генерал Притвиц отчаялся остановить наступление русских. Вечером того же дня он получил тревожное известие о том, что авангарды 2-й русской армии генерала Самсонова, наступавшей в Восточную Пруссию с юго-востока, атаковали находящиеся там германские войска и заставили их отступить внутрь страны, открывая таким образом для русских тыл 8-й германской армии.
Наступила ночь, когда Притвиц подписал приказ об отступлении своей армии к Нижней Висле. Желая спасти живую силу армии, Притвиц решился пожертвовать всей Восточной Пруссией и отдать ее русским с главным городом-крепостью Кенигсбергом на берегу Балтийского моря.
Перейдем к более подробному описанию боевых действий войск 1-й русской армии в Гумбиненском сражении.