Около 4 часов утра шведы, имея впереди 4 пехотные колонны, а за ними колонны конницы, подошли к передовой позиции русских. Тотчас же колонна Росса завязала бой за передовые редуты; но в это время с нашей стороны появились драгуны Баура. Шведы решили очистить фронт своею конницею, которая, пройдя сквозь пехотные колонны, завязала дело с Бауром около редутов. В «жестоком бою» драгуны захватили 14 знамен и штандартов и успели задержаться у редутов до получения приказа Петра – отступать. Бауру приказано отступать, откидывая свой правый фланг назад, только в том случае, если шведы будут наступать пехотою и конницею; если же перед ним будет только конница, то «велено биться».
Как только Баур начал отступление, шведы, подкрепившие свою конницу пехотою, прорвались сквозь редуты и Левенгаупт с пехотою правого крыла неожиданно появился в 30 саженях от нашего укрепленного лагеря, из которого был тотчас же открыт фланговый артиллерийский огонь вдоль шведской линии. Понеся потери при прорыве через линию редутов и теперь неожиданно взятые с фланга страшным артиллерийским огнем, расстроенные шведы в полном беспорядке бросились к лесу Будища—Осьмачки.
Конечно, это была минута вполне благоприятная для контратаки русских, но Петр побоялся прибегнуть к этому с молодыми русскими войсками, недостаточно опытными в маневрировании, с которыми выдержка и осмотрительность имели в то время важное значение.
Петр Великий, оценив обстановку, приказал: 1) Меншикову с драгунами левого крыла (12 эскадронов) и Ренцелю с 5 батальонами из войск укрепленного лагеря двинуться для поддержки Айгустова и для уничтожения колонны Росса; 2) полковнику Головину с Ростовским полком и батальоном гренадер двинуться на Яковцы и в монастырь, чтобы занять этот пункт для связи с городом «для всякого случая»; 3) части кавалерии Баура перейти с правого на левый фланг (на место Меншикова) и 4) полковнику Гинтеру с 6 батальонами приказано было занимать лагерь. Остальные войска сперва были построены по обе стороны лагеря, а затем впереди его в две линии, имея пехоту в центре, а кавалерию по флангам. При этом первые батальоны полков стояли в первой линии, а вторые в задней.
Меншиков с конницей, отбросив Росса и поручив дальнейшее преследование его колонны Ренцелю, вернулся на поле сражения и примкнул к левому флангу. Оторванная колонна шведов была прижата к болоту и положила оружие.
В 9 часу утра русская армия окончила построение и первая линия начала наступление с целью атаковать неприятеля. Реншильд и Левенгаупт построили всю шведскую пехоту в одну линию, чтобы удлинить фронт и тем обеспечить себя от охвата.
Карл XII, страдая от раны, не вмешивался в распоряжения, но, заметив наступление русских, приказал шведам двинуться им навстречу, причем для поднятия духа войск велел везти себя на носилках перед правым флангом боевого порядка.
Сойдясь на ружейный выстрел, обе армии открыли огонь по всей линии, а затем бросились врукопашную. Первое столкновение произошло на нашем левом фланге; здесь сильным ударом шведы опрокинули батальон Новгородского полка и разорвали нашу тонкую линию.
В тот же день гвардия и Баур с конницей были посланы для преследования шведов, но, несмотря на все старания, настигнуть их не удалось.
28-го к Переволочне был послан Меншиков, а Д. Голицыну приказано преградить шведам путь у Переволочны с войсками, взятыми из гарнизонов.
После благодарственного молебна царь в знак своего благоволения к заслугам армии объехал ряды с непокрытою головою.
Потери шведов на месте боя простирались до 9234 убитыми (кроме колонны Росса) и 2500 пленными; наши потери были 1345 убитыми и 3200 ранеными.
30 июня у Переволочны остальные войска Карла XII, припертые к Днепру, без средств для переправы, с Левенгауптом во главе положили оружие. Всего взято было в плен в сражении под Полтавою и у Переволочны около 18 746 человек, 264 знамени и штандарта и 4 орудия.