17 октября русские войска сосредоточились вокруг Полоцка. 18 октября они атаковали французские позиции, но наступавшие колонны действовали разрозненно. Это позволило французам, несмотря на меньшее число солдат, оказывать упорное сопротивление. 19 октября Витгенштейн не вел активных действий. Однако с наступлением темноты, когда французские войска начали покидать город, русские войска возобновили атаку и ночью 20 октября вступили в Полоцк. К этому времени почти все части противника успели переправиться через Западную Двину и поджечь мост.

Утром 20 октября французские части генерала Вреде неожиданно атаковали авангард корпуса Штейнгеля, действовавший изолированно на левом берегу реки, и нанесли ему поражение. Чтобы исправить положение, Витгенштейн направил Штейнгелю 12-тысячный отряд и ускорил строительство переправ у Полоцка. 23 октября русские войска переправились через реку, стали теснить противника на юго-запад, заняли Лепель и начали преследовать остатки «Великой армии».

Русские войска в ходе сражения, перейдя от активной обороны к контрнаступлению, заняли важную стратегическую позицию. Однако разделение сил, отсутствие разведки и четкого взаимодействия между колоннами, их разобщенность привели к большим потерям. Потери французской стороны в сражении составили до 7 тысяч человек, русской — около 8 тысяч человек.