Шведы наступали, тесня перед собою войска Коллоредо и Изолани; первый отступил к Лютцену и зажег это местечко, а Изолани – к Мейхену и Шкельзингерскому лесу. Густой туман покрывал всю местность. Около 10 часов утра шведы подошли к линии Лютцен—Мейхен. Вскоре с батареи на Виндмюленберге имперцы открыли огонь; на правом же крыле шведы выставили батарею для обстреливания кавалерии Изолани, отступавшей за Флосс-Грабен.
Перейдя через Флосс-Грабен, шведы построились паралельно Лейпцигской дороге, между обоими ручьями, имея лишь небольшую часть кавалерии за р. Флосс-Грабен против Изолани. Король объехал ряды, обращаясь с несколькими простыми, но энергичными словами к каждой из частей на ее родном языке. В то же время Валленштейна, страдавшего сильным припадком подагры, переносили на носилках вдоль фронта войск. Он не говорил с ними, но «одним своим присутствием, строгим молчанием и взглядом как бы желал напомнить воинам, что, по своему обыкновению, наградит или взыщет с них, смотря по тому, как они покажут себя в этом важном случае».
Когда туман рассеялся, открыла огонь по шведам малая батарея имперцев; шведские батареи отвечали, но вскоре замолкли, так как Густав Адольф дал сигнал к атаке. Вся армия тронулась одновременно; левому крылу пришлось немного принять в сторону для обхода Лютцена, охваченного пламенем, так что оно несколько отстало. В центре одна бригада первой линии в 11½ часа двинулась в атаку, перешла ров восточнее батареи, выбила мушкетеров, повернула влево на батарею и, овладев ею, повернула огонь ее на имперцев; при содействии другой бригады она опрокинула головной батальон и один из батальонов второй линии; к этому времени вошла в линию третья бригада первой линии и все три двинулись на третий батальон испанской бригады. Дальнейшего успеха они не имели, они были встречены огнем третьего батальона, атакою четвертого, а также атакою кроатов и кирасир правого крыла, так что шведские бригады принуждены были отступить, причем потеряли захваченную ими 7 орудийную батарею. Развитию успеха имперцев препятствовала шведская артиллерия. Впрочем, Валленштейн и не думал о преследовании.
Атака шведской кавалерии на правом крыле была неудачна, причем Густав Адольф был убит. Кроаты Изолани поскакали в обход Шкельзингерского леса и произвели нападение на обоз, но были прогнаны эскадронами второй линии правого крыла шведов. В это время левофланговая бригада первой линии шведского центра атаковала правое крыло имперцев, овладела мельницею и частью придорожных канав, но от сильного огня батареи с Виндмюленберга должна была отступить.
Вскоре весть о несчастии с королем стала известна войскам. Бернгард Веймарский вступил в командование армией и энергично взял в свои руки управление боем, несмотря на совет отступить, поданный некоторыми генералами. Пыл войск не угас; у всех явилось одно желание, одно стремление: отомстить за короля. Вся армия бросилась вперед. По приказанию герцога вторая линия пехоты должна была пройти первую и сменить ее. Атака подготовлялась огнем артиллерии, а в 2 часа протестанты произвели
Не было и 3 часов дня, когда Бернгард уже полагал, что одержал победу. Вдруг на правом крыле шведов снова начался жестокий бой. Это прибыл с 4000 кавалерии Паппенгейм. Он овладел уже Галле, когда получил приказание вернуться к Лютцену и, торопясь в бой, опередил свою пехоту, прибыв на поле сражения только с одною кавалериею. Атакою он опрокинул правое крыло шведов. В это время Валленштейн выстроил на Виндмюленберге оставшуюся пехоту, а за нею кавалерию правого крыла, расположив впереди пехоты несколько резервных орудий.
Около 4 часов проглянуло солнце и туман еще раз рассеялся. Герцог Бернгард увидел опасное положение своего правого крыла, теснимого Паппенгеймом, и, отказавшись от атаки Валленштейна, с несколькими эскадронами левого крыла поспешил на выручку отступавшего правого крыла и атаковал победоносных паппенгеймцев. Это решило дело. Кавалерия Паппенгейма остановилась и скоро отступила в беспорядке. В то же время распространилась весть, что Паппенгейм тяжело ранен. Это произвело в рядах имперцев смятение и ужас. Кроаты бежали к Лейпцигу, а за ними двинулись и остальные войска Валленштейна, боясь потерять свой путь отступления. С наступлением сумерек Бернгард овладел, не без значительных потерь, полем сражения. Имперцы потеряли около 6000, а шведы около 3000 человек, причем потери шведских бригад первой линии простирались до половины их состава.