17 августа Кутузов прибыл к армии и приказал продолжить отступление, рассчитывая найти удобную позицию для генерального сражения и получить подкрепления. Фактически это было продолжение стратегии Барклая-де-Толли, который 24 августа оставил пост военного министра, но сохранил за собой пост главнокомандующего 1-й армией (21 сентября по личной просьбе уволен из армии по болезни). Считая невозможным оставлять Москву без боя и получив требование императора дать сражение, Кутузов выбрал для боя позицию у деревни Бородино, в 124 км от столицы.
Понимая, что превосходство в силах по-прежнему остается за французами, русский главнокомандующий считал необходимым выбрать оборонительную тактику и, опираясь на спешно построенные укрепления, нанести максимально возможный урон неприятелю. В распоряжении Кутузова имелось около 114 тыс. регулярных войск (из них 14,6 тыс. новобранцев), 8 тыс. казаков при 624 орудиях. Кроме того, к Бородино было направлено 28 тыс. ратников ополчения, но они были плохо вооружены и обучены, а потому использовались в качестве вспомогательной силы, прежде всего на земляных и саперных работах.
Наполеон надеялся навязать русской армии решающее сражение, уничтожить ее, взять Москву и продиктовать там условия мира. Часть сил Великой армии было отуянуто для прикрытия растянувшихся коммуникаций, тем не менее у Бородино она превосходила русскую по численности войск — 135 тыс. человек при 587 орудиях.
По данным разведки, представленным Г.Ф. Орловым, численность Великой армии на тот момент оценивалась в 165 тыс. человек. Хотя Кутузов полагал
24 августа французы атаковали незавершенный и выдвинутый вперед Шевардинский редут и после упорного боя, продолжавшегося до темноты, вытеснили оттуда русские войска. 26 августа состоялось Бородинское сражение. Выбранная Кутузовым позиция исключала для противника возможность обхода или флангового удара и навязала Наполеону тактику лобовой атаки. С 6 часов утра до 6 часов вечера французы массами штурмовали русский центр — Багратионовы флеши и батарею Раевского, — многократно переходивший из рук в руки. К вечеру противник овладел русскими позициями в центре и на левом фланге, но это привело лишь к тому, что русская армия отступила на расстояние от 1 до 1,5 км, ее оборона не была прорвана на одном участке, а сама армия не была разбита.
Сражение носило исключительно ожесточенный характер, каждая из сторон взяла только около 1 тыс. пленных. Потери наполеоновской армии убитыми и ранеными по разным источникам составили от 28 тыс. до 58 тыс. человек. Потери русских войск достигли цифры от 45 тыс. до 50 тыс. человек.
По поводу оценки результата сражения отсутствует единое мнение, обе стороны немедленно после его окончания объявили о своей победе. Представляется, что ни один из главнокомандующих не решил в полном объеме задачи, поставленной перед битвой. Кутузов не смог остановить наступление неприятеля на Москву и вынужден был продолжить отступление. Наполеон не смог разгромить русскую армию и навязать русским условия мирного договора.
1 сентября русские войска находились на ближайших подступах к Москве — деревне Фили, где предполагалось дать второе сражение. Однако на состоявшемся здесь совете высших военачальников Кутузов принял решение оставить Москву и продолжить отступление. Необходимость сдачи столицы диктовалась обстановкой, и Кутузов фактически продолжил тактику, проводимую Барклаем, основанную на идее сохранения армии во имя спасения страны.
Следует отметить, что аргументация Барклая и Кутузова была схожа с мыслями, высказанными в записке П.А. Чуйкевича, а также с мнением А.И. Чернышева о резервах. Кутузову приписывают слова:
2 сентября русская армия покинула город, и в тот же день в него вошли французы.