После некоторой паузы около пяти часов пополудни немного передохнувшие русские части вновь бросились вперед. Вскоре левый фланг неприятеля начал прогибаться, гвардейцы заняли мост через речку. Но окончательно сломить сопротивление шведов не удавалось. Неожиданным ударом каролины вновь захватили переправу, обеспечив пути возможного отхода. В сгущавшихся сумерках Пётр I отдал приказ о последней атаке. Не выдержав удара, шведские части стали беспорядочно отступать. Русские драгуны уже рубились на палашах около фургонов. Внезапно начался сильный снегопад, сопровождавшийся метелью и шквальным ветром. Видимость резко упала. По указанию царя армия отошла на середину поля, где были разведены многочисленные костры.
Ночью Левенгаупт, трезво оценив обстановку, дал приказ об отступлении. В темноте, прикрываясь частью брошенных фургонов, шведы переправились через Леснянку и двинулись в сторону Пропойска. Остатки армии быстро превращались в неуправляемую толпу. Утром, вознамерившись продолжать сражение, Пётр обнаружил пустой лагерь противника. Быстро снаряженная погоня смогла перехватить у Пропойска несколько сотен мародерствующих шведов с остатками обоза. Левенгаупт, оставив последние подводы с провизией и снарядами, сумел перехитрить преследователей. Остатки его корпуса, насчитывавшие не более шести тысяч измученных солдат, в конце концов добрались до своего короля.
Итогом сражения стала потеря шведской армией значительных воинских и продовольственных запасов. Оказалась она отрезанной и от баз в Прибалтике. Разгром неприятеля поднял боевой дух российских войск. Победителям также досталась огромная добыча. Впоследствии Пётр I в книге «Гистория Свейской войны» писал: «Сия у нас победа может первая назваться, понеже над регулярным войском никогда такой не бывало; к тому же еще гораздо меньшим числом будучи пред неприятелем. И по истине оная виною всех благополучных последований России, понеже тут первая проба солдатская была, и людей конечно ободрила, и мать Полтавской баталии…»
Переход И. Мазепы на сторону шведов вызвал сильный гнев Петра I. До последнего момента царь не терял веры в преданность украинского гетмана, отвергая любые наветы на него. А в 1700 г. Мазепа даже раньше самого самодержца получил первый российский орден Святого апостола Андрея Первозванного. Уязвленный изменой, Пётр I предписал объявить по всей России о проклятии предателя, лишить всех чинов и наград, заочно приговорить к смертной казни. Резиденция гетмана в Батурине подверглась жесточайшему разгрому отрядом, возглавляемым А. Д. Меншиковым. Припасы, которые Мазепа планировал передать своему новому покровителю, были полностью уничтожены. Последняя надежда шведского короля на пополнение военного снаряжения (порох, пули, ядра и т. п.), в котором ощущался значительный недостаток, растаяла как дым.
