Бой начался канонадой с обеих сторон, продолжавшейся до 2 часов дня. Карл XII медлил бросаться в рукопашный бой, надеясь вызвать русских в открытое поле и тем избежать штурма укреплений лагеря, но, видя, что противник не покидает своих позиций, он приказал идти в атаку. Шведам удалось достичь внезапности, скрыто подведя войска под прикрытием интенсивного артиллерийского огня. Русские же ничего не предпринимали и только отстреливались. Момент атаки был выбран очень удачно. Небо покрылось тучами, поднялась метель при сильном холодном ветре, бившая прямо в глаза русским. Забросав ров фашинами, шведы ворвались в укрепление и атаковали с обоих флангов войска князя Трубецкого. Центр был прорван, опрокинутые части Трубецкого побежали, увлекая и левый фланг Головина. «Немцы нам изменили», – раздались крики среди обезумевших солдат, начавших избивать своих офицеров. Герцог де Кроа, генерал Алларт, саксонский посланник Ланген и командир Преображенского полка Блюмберг предпочли для собственной безопасности сдаться в плен.
Наступление шведов вызвало панику в поместной коннице Шереметева. Даже не будучи атакованной, она бросилась в реку Нарову близ порогов и, потеряв до тысячи человек утонувшими, перебралась на другой берег.
Между тем шведы, покончив с центром, двинулись левой колонной к мосту у острова Хампергольм, а правой – к деревне Юала. И, несмотря на критическое положение русской армии, шведы встретили на обоих флангах упорное сопротивление. На левом фланге центром сопротивления стала дивизия генерала Вейде, который успел привести войска в порядок. На правом же фланге успешно сопротивлялись Преображенский и Семёновский полки. Тем не менее тысячи солдат в панике устремились к единственному понтонному мосту через реку Нарову. Естественно, мост не выдержал и разошелся.
Ночью князь Я.Ф. Долгоруков, посовещавшись с боярами А.М. Головиным и И.И. Бутурлиным, а также с начальником артиллерии (генерал-фельдцейхмейстером) имеретинским царевичем Александром Арчиловичем, решил капитулировать. К шведам немедленно были посланы парламентеры.
Карл и его генералы понимали, что силы русских войск далеко не исчерпаны, и согласились на почетную капитуляцию согласно её условиям: всем русским генералам, офицерам и войску с шестью полевыми пушками свободно отступить; с обеих сторон обменять пленных и похоронить тела; всю тяжелую артиллерию и всю остальную полевую артиллерию оставить шведам, все же прочее, багаж полковой и офицерский, свободно с войском отвести.
Русские бояре не доверяли шведским генералам и потребовали подтверждения условий капитуляции самим королем. Карл согласился, и в знак согласия король подал руку князю Долгорукову.
Еще ночью шведы начали чинить русский понтонный мост, и к рассвету он был готов. Утром, около 10 часов, Преображенский и Семёновский полки, а также дивизия Головина с оружием, распущенными знаменами и барабанным боем перешли через мост. Вместе с ними на тот берег Наровы была перевезена и казна русской армии, что вызвало ярость шведов. В условиях капитуляции о казне ничего не говорилось, тем не менее шведы потребовали «деньги на бочку», русские отказали. Тогда шведы окружили дивизии Трубецкого и Вейде, которые ещё не успели переправиться через мост. Началась перестрелка, несколько десятков, а может быть, и сотен русских солдат было убито. Остальные были обезоружены, ограблены и лишь после этого отпущены за реку. Обоз, знамена и шесть полевых пушек, оговоренные условиями капитуляции, были захвачены шведами. Кроме того, было задержано несколько русских военнопленных, включая Я.Ф. Долгорукова, А.М. Головина, Адама Вейде, царевича Имеретинского, И.Ю. Трубецкого и И.И. Бутурлина.
21 ноября Карл XII торжественно вступил в деблокированную Нарву. По улицам города провели 79 знатных русских пленников.
Под Нарвой русские потеряли убитыми и утонувшими свыше шести тысяч человек. Шведам досталась вся русская артиллерия. Шведы, по русским сведениям, потеряли около двух тысяч человек.
После победы перед Карлом XII встал вопрос: а что делать дальше? До сих пор его действия были лишь реакцией на нападения стран антишведской коалиции. Позже шведский генерал Шлиппенбах вспоминал, что король, будучи в Нарве, отвел его «в свою спальню, где большой ландкарт был прибит, на котором он мне марш в Москву показывал, который бы, конечно, и учинился», если бы короля не отговорили генералы, рассчитывавшие «с Польши большие взятки взять, нежели с России».
3 декабря 1700 г. в Нарве Карл XII издал манифест, где призывал население России к бунту против царя, описывал его жестокости, обещал русскому народу свою королевскую волю, а в случае ослушания грозил истребить все огнем и мечем.