Здесь русские, предупреждённые на рассвете грохотом артиллерийской подготовки корпуса Франсуа, были готовы к сражению, которое развернулось на фронте длиной в 35 миль. В центре германский XVII корпус вышел на рубеж наступления только к 8 часам утра, отстав от Франсуа на четыре часа, а на правом германском фланге I резервный корпус появился только в полдень. XVII корпусом командовал генерал Август фон Макензен, ещё один из тех генералов, кто участвовал в войне 1870 года и кто теперь был в возрасте шестидесяти пяти лет и старше. I резервным корпусом командовал генерал Отто фон Белов. Вечером 19-го числа, когда был получен неожиданный приказ присоединиться к Франсуа и начать наступление за Гумбинненом на следующее утро, оба корпуса находились за Ангераппом. Поспешно собрав свои части, Макензен за ночь успел переправиться через реку и угодил на другом берегу в самую гущу заполонивших дороги беженцев, телег и скота. Когда же войска наконец построились в боевые порядки и подошли достаточно близко, чтобы начать бой, преимущества внезапности удара были утеряны, и русские открыли огонь первыми. Результат обстрела из тяжёлых орудий бывает в высшей степени ужасающим для того, кто угодил под их снаряды, а в данном случае, хотя и редком в 1914 году, под таким огнём оказались германские войска. Пехота была прижата к земле и лежала, не смея даже головы приподнять, рвались патронные и зарядные ящики, галопом носились обезумевшие, потерявшие седоков лошади. Во второй половине дня 35‑я дивизия Макензена дрогнула под огнём. Одна рота побросала оружие и побежала, за ней – вторая, паника охватила целый полк, потом она перекинулась на соседние части. Вскоре по полям и дорогам в тыл бежали батальоны. Офицеры дивизии, штаба и сам Макензен кинулись к ним наперерез, носились в автомобилях вдоль фронта, пытаясь остановить бегущих. Но напрасно. Те остановились только через 15 миль.
Находившийся справа от Макензена I резервный корпус фон Белова не мог помочь соседу, потому что выступил ещё позднее, а когда достиг назначенного рубежа у Гольдапа на краю Роминтенского леса, он сразу же подвергся мощной атаке русских. Бегство корпуса Макензена в центре открыло левый фланг Белова, что заставило отойти и его, как для того, чтобы прикрыть отступление Макензена, так и для того, чтобы защитить свои войска. Находившаяся справа от фон Белова, 3‑я резервная дивизия под командованием генерала фон Моргена выступила с рубежа реки Ангерапп последней и прибыла только к вечеру, когда всё уже было кончено. И хотя немцы отступили в порядке, а русские понесли тяжёлые потери от корпуса Франсуа, сражение под Гумбинненом в целом было победой русских.
Притвиц видел, что ему грозило. Настойчивое русское преследование через взломанный германский центр могло продолжаться до самого Инстербургского промежутка, раскалывая 8‑ю армию и отбрасывая корпус Франсуа на север, под прикрытие кёнигсбергского укреплённого района, против чего особенно настойчиво предостерегал генеральный штаб. Чтобы спасти 8‑ю армию и не дать её разделить, Притвиц в качестве единственного выхода решил отступить за Вислу. Мольтке сказал ему напоследок такие слова: «Не позволяйте расколоть армию. Не уходите с Вислы, но в самом крайнем случае можете оставить район к востоку от неё». Притвиц решил, что тот самый крайний случай наступил, особенно после разговора по телефону с Макензеном, который живо описал панику, охватившую его войска.
В шесть часов вечера 20 августа Притвиц позвонил Франсуа и сообщил ему, что, несмотря на успех на его участке, армия должна отступить к Висле. Словно громом поражённый, Франсуа принялся протестовать, утверждая, что из-за своих собственных потерь русские не в состоянии осуществлять энергичное преследование, прося Притвица передумать. Он повесил трубку с чувством, что командующий колеблется и согласился всё же обдумать своё решение.
В штабе, когда постепенно улеглась суматоха и наконец разобрались с противоречащими одно другому донесениями, стало ясно удивительное: русские не преследовали. В русском штабе Ренненкампф отдал приказ начать преследование между 3 и 4 часами дня, но, получив доклад о том, что отход Макензена прикрывает тяжёлая артиллерия, отменил приказ в 4:30. Он не знал точно, насколько сильно был ослаблен германский центр, и поэтому ждал. Когда совершенно измученный штабной офицер попросил разрешения пойти спать, он ответил, что тот может лечь не раздеваясь. Через час Ренненкампф разбудил его и с улыбкой сказал: «Теперь можете раздеться, немцы отступают».