В упорном сражении русское войско почти троекратно превосходило шведскую армию (9000–12 000 человек при 37 пушках у шведов против 32 000–35 000 русских при 184 орудиях). По другим данным, число всего русского войска под Нарвой с отрядами, подошедшими впоследствии, простиралось даже до 40 000 человек.
Нарва — это древний город с Ивангородом, старинной крепостью, построенной русскими на правом берегу реки. Нарва охранялась старым и храбрым полковником Хеннингом Рудольфом Горном, у которого было всего 1300 пехотинцев, 200 кавалеристов и 400 вооруженных жителей, но он отказался сдать город. С 20 октября русские начали обстреливать Нарву из 80 пушек. Стреляли две недели, но Горн и не думал уступать.
Ужасная осенняя погода развела грязь и пресекла пути сообщения. Русское войско во всем терпело недостаток и роптало. 7 ноября повели приступ Ивангорода, но его отбили. А потом, под прикрытием снежной пурги, шведы вплотную подошли к русским позициям и резкими ударами прорвали их в нескольких местах. Герцог де Круа и многие иностранные офицеры сдались шведам. Центр русских войск начал беспорядочный отход к своему правому флангу, где находился единственный понтонный мост, но тот не выдержал скопления людей и рухнул. Многие утонули, и сражение завершилось капитуляцией русских войск ввиду их полного разгрома.
Потери убитыми, утонувшими, а также умершими от голода и холода составили около 7000 человек (против 677 убитых и 1247 раненых у шведов). Была потеряна вся артиллерия, в плен в нарушение условий капитуляции попало 700 человек, в том числе 10 генералов и 10 полковников.
Карл и его генералы понимали, что силы русских войск далеко не исчерпаны, и согласились на почетную капитуляцию. Согласно ее условиям всем русским генералам, офицерам и войску с шестью полевыми пушками разрешалось свободно отступить; с обеих сторон обменять пленных и похоронить тела.
Переговоры о капитуляции вели князь Я.Ф.Долгоруков, А.М.Головин, И.И.Бутурлин и генерал-фельдцейхмейстер Александр Имеретинский. Капитулировала и дивизия генерала Адама Вейде. Князь Долгоруков договорился о свободном проходе войск на правый берег с оружием и знаменами, но без артиллерии и обоза. Всю ночь с 1 на 2 декабря шведские саперы совместно с русскими наводили переправы. Утром 2 декабря русские войска покинули шведский берег реки Наровы.
После многих долгих лет, в течение которых Карл XII грабил и кружил по Польше, он добился лишь одного конкретного результата. К концу 1705 года между Швецией и Польшей был заключен мирный договор. Он интересен в том отношении, что раскрывает, за что на самом деле сражались шведские солдаты. Это был старый припрятанный в шкафу скелет фанатичного шведского национализма — Dominium maris Baltici — господство над всем Балтийским морем; скелет вытащили из гардероба и стерли с него пыль. В условия мира входило, что большая часть польской торговли должна была проводиться через шведскую Ригу. Одновременно поляки должны были пообещать разрушить свой новый порт Палангу, чтобы он не мог конкурировать со шведскими портами. Шведские купцы получили больше возможностей поселяться в Польше, и их права там были значительно расширены. Мирный договор содержал также запрет на русскую транзитную торговлю с остальной Европой. Хотя поляки и не принуждались к каким-либо формальным территориальным уступкам, тот мир, который шведы навязали им, был все же очень жестким.