Несмотря на наступившую ночь Петр I продолжал держать свое войско под ружьем, на расстоянии не более 150 шагов от шведского вагенбурга. Утром он намеревался возобновить сражение. Первое время еще гремели пушки. Орудийная дуэль стихла лишь около 22 часов. Тогда Левенгаупт, узнавший о скором прибытии к месту сражения еще одной русской дивизии, решил попытаться незаметно оторваться от противника и спасти остатки своего корпуса. Имитируя огонь обычных бивачных костров, он приказал зажечь часть своих фур и, оставив раненых и больных, бросив около 1000 голов скота, посадить пехоту на освободившихся обозных лошадей. Затем Левенгаупт отдал команду как можно быстрее, без огней, уходить через лес к Пропойску, увозя лишь порох и артиллерийские снаряды. Вынужденное ночное отступление, осуществлявшееся в полной темноте, было по-настоящему кошмарным. Орудия застревали в разбитой колесами колее; их пришлось бросить в болоте. Шведские полки блуждали в темноте, по грязи и болотной жиже, теряя последние силы. Со всех сторон доносились стоны раненых, хрипы умирающих, крики заблудившихся. Некоторые солдаты и даже офицеры решили оставить разгромленный корпус и вернуться назад в Лифляндию. Однако выполненный в страшной спешке маневр в целом удался – большая часть шведов сумела прорваться к своим.
Обнаружив наутро брошенный шведами вагенбург, царь направил за ними в погоню отряд генерал-поручика Гебхарда Пфлуга. Главные русские силы оставались на месте сражения еще 3 дня. Преследовавшие шведов драгуны Пфлуга 29 сентября настигли и порубили в Пропойске около 500 отставших неприятельских солдат и взяли остатки обоза. Военное снаряжение, впрочем, победителям не досталось – при приближении погони Левенгаупт распорядился порох и заряды утопить в Соже. Затем остатки его корпуса переправились через эту реку у деревни Глинка и 12 (22) октября 1708 года в брянском селе Рюхово соединились с армией Карла XII, уже покинувшей лагерь у Костеничей.
Потери шведов убитыми и ранеными составляли 6397 человек, из них 45 офицеров, около 700 солдат попали в плен. Русские потеряли 1111 человек убитыми и 2856 ранеными.
Победа под Лесной не стала полной – половина корпуса Левенгаупта смогла прорваться, шведам удалось уничтожить бо́льшую часть припасов и снаряжения – но значение ее было огромно. Позже Петр I высоко оценил викторию под Лесной, написав о ней в «Гистории Свейской войны»: «
Одержанная на берегах Леснянки победа сыграла большую роль в укреплении морального духа русской армии, показала выдающиеся полководческие качества Петра I. Русские войска действовали в сражении на основе линейной тактики, но применяли ее творчески, исходя из обстановки: вступали в бой по мере подхода сил, не дожидаясь их полного развертывания, укрывались в случае необходимости в лесу, сочетали огонь со штыковыми ударами, искусно маневрировали на поле боя, обеспечивали тесное взаимодействие пехоты и конницы. Сражение у Лесной оказало серьезное влияние на дальнейший ход войны. Разгром корпуса Левенгаупта лишил Карла XII необходимых ему подкреплений, продовольствия и боеприпасов, сорвал его план похода на Москву и во многом предопределил неудачный для шведов и их союзников исход всей кампании 1708–1709 гг.