Король Карл XII лично водил шведские батальоны колонны генерала Рёншильда в атаку на русскую гвардию, но каждый раз с большими потерями отступал от вагенбурга, который прикрывал собой мост через Нарову. Здесь ожесточенный бой продолжался несколько часов: в итоге шведы не смогли даже потеснить к речному берегу стойко державшихся преображенцев и семеновцев. Именно здесь шведы понесли в битве самые большие потери.
Историк Н.Г. Устрялов писал в своей «Истории царствования Петра Великого» о том эпизоде Нарвского сражения: «Ободренные присутствием государя, шведы несколько раз бросались в атаку; но тщетно: огородив себя повозками артиллерийского парка, русские были непоколебимы и отразили все усилия неприятеля. Наступившая ночь прекратила битву».
Наступившая темень только усугубила беспорядок в рядах противников. Те шведские солдаты, которым на пути попался русский обоз с провиантом, перепились. Был случай, когда два королевских батальона, в темноте приняв друг друга за неприятеля, вступили между собой в бой. Карл XII стал понимать, что победа может ускользнуть из его рук, так как силы шведской армии были слишком малы для полного разгрома русских. Утро следующего дня грозило изменить ситуацию.
Сражение продолжалось еще несколько часов. Отсутствие единого командования, потеря почти всей артиллерии, разделение армии на две изолированные части не позволило русским генералам организовать оборону и вынудило их пойти на переговоры с противником и капитулировать на условиях сохранения личного оружия (за исключением артиллерии, которая уже находилась в руках шведов) и знамен. Это соглашение было подписано в ночь на 20-е число командирами дивизий генералами Ф.А. Головиным, князем Н.Ю. Трубецким и генерал-фельдцейхмейстером грузинским царевичем Александром Арчиловичем (Александром Имеретинским), командовавшим артиллерией. Ситуацией они не владели.
На такое решение повлияло то, что петровский генералитет не имел точных сведений о реальной обстановке, которая была угрожающей, но не в такой степени, чтобы прекращать битву и складывать оружие перед врагом. Повлияло и то, что командующий армией фельдмаршал герцог де Кроа из шведского стана отдал приказ прекратить сопротивление. После сражения король Карл XII наградит перебежавшего в его лагерь австрийского фельдмаршала тысячью пятьюстами золотыми червонцами и будет «сажать его кушать за свой стол». Однако брать титулованного перебежчика на свою службу он не стал, хотя герцог того сильно желал.
К тому времени русская армия, потерявшая большую часть артиллерии, была разделена на две части, но не сломлена. Каждая из этих частей (правый и левый фланг армейской линии) по численности равнялась всей королевской армии. И что самое главное, продолжала сражаться. Один из очевидцев сражения, королевский камергер граф Вреде признавал в своих мемуарах: «Если бы русский генерал, имевший до 6 тысяч под ружьем, решился на нас ударить, мы были бы разбиты непременно: мы были крайне утомлены, не имея ни пищи, ни покоя несколько дней, притом же наши солдаты так упились вином, которое нашли в русском лагере, что невозможно было немногим оставшимся у нас офицерам привести их в порядок».
Карл XII, не считая свое положение прочным и видя состояние своей армии, охотно согласился на предложение генералов русского царя провести переговоры. В ходе их было достигнуто соглашение, по которому шведы должны были беспрепятственно пропустить русские войска на правый берег Наровы с личным оружием и знаменами. Король отказался только выдать уже взятую артиллерию, свои главные и желанные трофеи, на что генералам противной стороны пришлось согласиться. Шведы начали починку разорванного понтонного моста.
Утром 20 ноября 1700 года мост через Нарову был починен, и русские войска стали отходить из своего осадного лагеря на другой берег реки. После того, как перешла дивизия Головина, гвардейские Преображенский и Семеновский полки (их батальоны шли с распущенными знаменами, с полковыми пушками и под барабанный бой), король Карл XII вероломно нарушил достигнутое соглашение и свое слово. Он потребовал, чтобы полки левого крыла (дивизия Вейде) отходили без оружия. В противном случае шведы, в руках которых оказалась большая часть лагеря и почти вся артиллерия, находившаяся в нем, грозили применить силу.
Русские солдаты вынуждены были это сделать, по словам очевидцев, с «великой бранью» по адресу шведов и своих генералов-иноземцев. Шведы разграбили обоз и «упились», как писали их мемуаристы. После сдачи оружия полки Вейде (сам он имел тяжелое ранение) были пропущены через мост и двинулись по залитой холодными дождями лесной дороге вслед за гвардией и дивизией Головина к Новгороду, до которого было не близко. Отступавшая петровская армия при себе запасов провианта на дорогу не имела: победители о том «не позаботились».