С 13 августа германское командование, завершив перегруппировку, приступило к осуществлению плана. В этот день 6-й русский корпус, атакованный 17-й армейским и 1-м резервным корпусами немцев, вынужден был отойти от Бишофсбурга. Попытка противника потеснить войска левого крыла 2-й армии успехи не имела. На следующий день немцами был передан от имени командира русского 1-го армейского корпуса ложный приказ об отходе. В итоге двухдневных боевых действий положение 2-й армии значительно ухудшилось. Ее центральные корпуса (13-й и 15-й), почти не встречая сопротивления, значительно продвинулись на север и достигли Алленштейна. Однако корпуса, действовавшие на флангах, не использовали полностью свои возможности и отошли: 6-й – к Ортельсбургу, а 1-й – к югу от Сольдау. Восточный и западный фланги группы центральных корпусов оказались открытыми.
Германское командование рассчитывало окружить 13-й и 15-й корпуса. Главный удар наносился по левому флангу армии в районе Сольдау. В свою очередь командующий 2-й русской армией генерал Самсонов также планировал активные действия. Он решил силами 23-го и 1-го армейских корпусов сковать противника в районе Сольдау, а силами 13-го и 15-го корпусов нанести удар на юго-запад во фланг и тыл противника. 6-му корпусу было приказано передвинуться в район Пассенгейма и обеспечивать контрудар с северо-востока.
15 августа на левом фланге 2-й армии развернулись ожесточенные бои. Чтобы непосредственно руководить проведением контрудара, в район боевых действий прибыл генерал Самсонов с оперативной частью штаба армии. Это прервало его связь со штабом фронта, фланговыми корпусами и в целом отрицательно сказалось на управлении войсками. Русские одержали ряд тактических успехов. Маневр противника по окружению центральных корпусов 2-й армии был сорван. Но генерал Самсонов, сознавая трудное положение своих войск, вечером отдал приказ об их отходе.
С утра следующего дня 1-й и 20-й армейские и 1-й резервный германские корпуса вели наступление, охватывая с трех сторон центральные корпуса 2-й армии. 17-й германский корпус приказа о сосредоточении у Алленштейна не получил и продолжал действовать в юго-западном направлении на Пассенгейм. В своем движении он вышел на пути отступления русских. Было замкнуто кольцо окружения вокруг 13-го и 15-го корпусов и 2-й пехотной дивизии 23-го корпуса. Генерал от кавалерии Александр Васильевич Самсонов покончил с собой у фермы Каролиненгоф (близ Виленберга). Принявший командование армией командир корпуса пятидесятипятилетний генерал Н. А. Клюев не использовал всех возможностей для спасения окруженных корпусов. Был отдан приказ о капитуляции. Противник пленил около 90 тысяч человек, захватил 350 орудий. Двадцать тысяч солдат и офицеров погибли на поле боя. Некоторые командиры частей отвергли приказ о сдаче в плен и вывели своих подчиненных из окружения. В общей сложности спаслись около 10,5 тысяч человек.
Наиболее ожесточенное сражение произошло у деревни Танненберг, в 35 километрах севернее Сольдау. Там в 1410 году польский король Владислав V впервые дал бой тевтонским рыцарям. Это была первая победа славянства над германизмом. Отсроченный на 504 года реванш тевтонов был ужасен.
Командование Северо-Западного фронта не приняло всех мер для того, чтобы предотвратить поражение 2-й армии. А такая возможность была, о чем свидетельствует начальник штаба 8-й армии генерал Э. Людендорф: «Армия Ренненкампфа стояла на востоке подобно грозовой туче. Стоило бы ему перейти в наступление и мы были бы разбиты. Озабоченность, с которой я в эти дни смотрел на немецкую армию, знали лишь немногие. Но Ренненкампф двигался медленно»
[13]. Произошло это прежде всего потому, что командование фронта плохо изучало обстановку. О действительных намерениях противника стало известно лишь вечером 14 августа. В ночь на 15 августа начальник штаба фронта В. А. Орановский телеграфировал Самсонову: «Главнокомандующий приказал отвести корпуса 2-й армии на линию Ортельсбург, Млава, где и заняться устройством армии». Однако до войск приказ не дошел. Одновременно командующему 1-й армией было приказано двинуть левофланговые корпуса (4-й и 2-й) и конницу возможно далее вперед, чтобы оказать содействие 2-й армии. Ему сообщалось также, что действовавшие против 1-й армии части противника перевезены по железной дороге на фронт 2-й армии [14].