Заметив, что Кирали ожидает подхода подкреплений, русская конница стала отступать через топкий лес восточнее Ольховки в сторону реки Торопы навстречу своим главным силам. Передовое охранения отрядов Кирали и Зибжика последовало за ней, не желая терять контакт. Русские воеводы расположили свои войска в две линии. В первой линии были стрельцы, выстроившиеся длинными рядами от Речанской мельницы и на левом берегу Торопы до домов деревни Лосочи. Во второй линии на правом крыле стояла московская конница Черемисинова, на левом – татарская конница Нащокина. Ранее отступивший русский арьергард теперь начал переправляться через реку за мельницей, чему безуспешно пытались помешать 30 польских всадников.
Отряды Кирали и Зибжика дважды пытались преследовать, но каждый раз были отброшены. Тем временем подоспел передовой отряд Барбели (600 кавалеристов) и, сразу же развернувшись с марша, справа от отряда Кирали, атаковал русский арьергард, оттеснив его к реке. В этот решающий момент сражения силы, развернутые русскими у моста и мельницы, были несколько больше (по подсчетам поляков – 1000 конницы и около 200 стрельцов), но менее хорошо вооруженные поместные и татары были обстреляны из 200 карабинов и 400 пистолетов аркебузиров Станислава Собоцкого и Георгия Фаренсбаха и атакованы гусарскими хоругвями Анджея Зборовского, Александра Конецпольского и придворной хоругвью Станислава Жолковского. Стрельцы на мельнице растерялись, сделав не более одного выстрела из своих пищалей, и бросились к реке под натиском венгерских гусар Кирали, частных гусар Самуила Збаражского и придворных гусар Иеронима Филиповского. Таким образом, атака оказалась успешной, несмотря на потери от огнестрельного оружия.
Обогнав главные силы, Збаражский лично прибыл на поле боя. Он направил гусарские хоругви, к которым присоединился отряд Кирали, на левый фланг. Они появились со стороны холма на краю левого фланга и таким образом, перейдя по дамбе, могли отрезать русским путь отступления к Торопцу. Поэтому Збаражский поддержал атаку на левом фланге новой массой гусар из своих главных сил, которые как раз в этот момент прибыли на поле боя. По словам Б. Папроцкого, гусары «переехали реку, и почти как птицы налетели на них, не потерпев никакого вреда, только ранили Язловецкого Николая и то без вреда, ранили лошадь Поруденского, задели Подлодовского, тоже немного, пригвоздили стрелой Собеского Марека к седлу, но не повредили его телу, ранили лошадь у Белжецкого Яна, и ранили лошадь у Самуила Збаражского». Таким образом, потери были невелики и главным образом были нанесены стрелами из луков.
Хотя исход сражения был решен на левом фланге поляков, именно на правом фланге стрельцы, расположившиеся за Торопой, также практически не могли стрелять из-за того, что их русская конница сгрудилась в реке под натиском хоругвей Барбели. Русские, не в силах остановить два польских крыла, уже форсировавших Торопу, стали отступать. Их командиры, в распоряжении которых оставалось еще 2–3 тыс. свежих войск, не попытались предпринять контратаку в обход противника через Торопу с юга, а решили как можно быстрее отступить к Торопцу[231].
В результате, как писал Л. Дзялынский, «пока наши переправлялись, неприятель успел уйти на четверть мили, так как бежал по дороге, а татары в другую сторону в болота…»[232]. Польские хоругви, переправившиеся через реку, преследовали разрозненные группы русских по грязной и болотистой местности почти 10 километров, пока не наступила полная темнота.
Только в ходе преследования русские войска потеряли, по словам Гейденштейна, 500 воинов убитыми и 200 пленными, причем «…из своих потеряно было или ранено немного»[233]. Дзялынский сообщает о 300 убитых русских и татарах и 24 пленных, среди которых Дементий Черемсинов и Иван Нащокин[234].
Как это часто случается, польские авторы завышают потери противника. По сохранившимся русским документам, потери русских в разы меньше. Так, «Синодик по убиенных во брани» упоминает гибель воеводы Ивана Елизаровича Енчанинова и 36 князей, бояр и детей боярских[235].
Победа Збаражского в сражении на реке Торопа не только обеспечила безопасность со стороны Торопца, но и позволила Баторию вести дальнейшие наступательные действия против других русских крепостей. На этом Збаражский счел свою задачу выполненной и, не пытаясь осадить Торопец, вернулся в королевский лагерь.
22 сентября король получил извещение о победе под Торопой и в тот же день приказал готовиться к походу на Невель. Как сказано выше, Баторий намеревался возвращаться в Речь Посполитую через Невель. Чтобы ускорить взятие Невеля, король приказал Замойскому отправиться туда с имевшимися у него войсками. Последний, пройдя уже несколько десятков километров, получил известие о взятии крепости[236].