План операции, разработанный генерал-квартирмейстером Карлом Толем, предусматривал окружение и разгром противника. Главный удар должны были нанести войска генерала Леонтия Беннигсена по левому флангу французов. Отряд генерала Михаила Милорадовича при поддержке части сил основной армии Кутузова атаковал бы центр. Партизанские отряды генерала Ивана Дорохова и подполковника Александра Фигнера должны были ударить в тыл. Успех зависел от согласованности действий.

Из-за несогласованности бой начался утром 6 (18) октября неожиданной атакой казачьих полков на французов в селе Тетеринка. Затем в дело вступили силы Беннигсена. Предотвратив панику в своих войсках, Мюрат провел несколько удачных кавалерийских контратак и приказал организованно отходить к селу Спас-Купля, где французы закрепились. Учитывая обстановку, Кутузов решил не вводить в бой основные силы, и сражение завершилось к 16 часам. Таким образом, цель операции не была достигнута: французский авангард понес лишь частичное поражение, потеряв около 2,5 тысяч убитыми, 2 тысячи пленными, 38 орудий и весь обоз. Потери русских войск составили, по разным данным, от 300 (согласно донесению Кутузова) до 1,2 тысяч человек (по данным историка Михаила Богдановича).

Беннигсен был недоволен решением Кутузова не вводить в бой дополнительные силы. По воспоминаниям современников, после боя он не счел нужным соблюсти воинскую вежливость перед фельдмаршалом и, принимая его поздравления, даже не спешился с лошади. В своем донесении о битве он приписал победу исключительно себе, отметив, что это сражение «он имел честь начать, продолжить и окончить».

Несмотря на скромные результаты, победа под Тарутиным имела большое значение для подъема духа русской армии накануне ее контрнаступления. Она заставила Наполеона уже на следующий день, 7 (19) октября, начать отступление из Москвы по направлению к Калуге. В честь победы император Александр I щедро наградил Кутузова, Беннигсена, офицеров и солдат — участников боя.