Атака французов была столь мощной, что русские не удержались и отошли. Не дав французам закрепиться на захваченном рубеже, Багратион повел свои войска в контратаку. В этот момент ему осколком ядра раздробило левую ногу. С тяжелой раной выбыл из строя и начальник штаба 2-й армии генерал Эммануэль Сен-При. Контратака захлебнулась, войска стали откатываться к деревне Семеновская. Алексей Ермолов, вспоминая об этом моменте сражения, написал в воспоминаниях: «В мгновение пронесся слух о его (Багратиона) смерти, и войск невозможно удержать от замешательства. Около полудня 2-я армия была в таком состоянии, что некоторые части ее не иначе, как отдаля на выстрел, возможно было привести в порядок».
Присланные Кутузовым из резерва гвардейские полки мужественно сдерживали атаки французской кавалерии, давая возможность отступающим частям закрепиться на новом рубеже. Вступивший в командование левым флангом русских сил генерал Дохтуров, быстро привел в порядок находящуюся «в большом смятении» армию и организовал оборону на новом рубеже примерно в километре от деревни Семеновская.
Наполеону казалось, что в сражении наступил перелом: остается только захватить Курганную высоту, прорвать центр русских сил и, прижав отступающие части к берегу Москва-реки, завершить их разгром. В атаку на Курганную высоту он приказал направить Молодую гвардию. В этот момент ему доложили, что тылы армии атакуют казаки. Это Кутузов, почувствовав критический момент битвы, направил в обход французского левого фланга кавалерийский корпус Федора Уварова и казаков Матвея Платова.
Этот рейд вызвал смятение в тыловых частях французов, заставил Наполеона отложить на два часа атаку и вернуть в резерв Молодую гвардию. Чтобы разобраться в обстановке, французский император даже выехал на левый фланг своей армии. Русские получили время для перегруппировки сил, организации рубежа обороны на левом фланге и усиления центра.
С боевой точки зрения кавалерийский рейд был малорезультативен. Кавалеристы Уварова у деревни Беззубово были остановлены пехотным полком, успевшим построиться в каре, и кавалерийской бригадой. Казаки Платова, переправившись через Войну севернее д. Беззубово, вышли в тыл французам. Но вместо того чтобы ударить на резервные полки, захватить с тыла батареи, казаки бросились грабить французский обоз.
Кутузов явно ожидал от рейда большего, возможно, надеялся перехватить инициативу в сражении. Характерно, что после сражения, из всех участвовавших в нем генералов только Уваров и Платов не были представлены к наградам.
В 14 часов Наполеон начал мощную атаку на центр русских позиций. Более 300 орудий обстреливали Курганную высоту с фронта и с флангов. Перед атакой Курганной высоты Огюст Коленкур заявил Наполеону: «Я буду там сей же час, живой или мертвый!». Свое обещание он выполнил, его кирасиры ворвались на высоту и почти все полегли на ней во главе со своим генералом. Защитники высоты выполнили свой воинский долг до конца. Генерал Петр Лихачев, объединив оставшихся в живых защитников батареи Раевского, повел их в последнюю контратаку. Тяжело раненого в рукопашной схватке его взяли в плен. Наполеон, изумленный доблестью генерала, вернул ему шпагу. Но Лихачев отказался принять оружие из рук врага.
К 15 часам, ценой огромных жертв, французы взяли Курганную высоту, но прорвать центр русских позиций не смогли. Русская пехота, отойдя за Горецкий овраг, закрепилась на новой позиции и до конца сражения с нее уже не сходила. Руководимые Барклаем-де-Толли, который лично возглавлял контратаки, войска 1-й армии не позволили французам развить наметившийся успех.
У французской пехоты уже не было сил атаковать, сражение переросло в яростную кавалерийскую схватку. Между Курганной высотой и деревней Семеновское находилось единственное относительно ровное пространство, где французы могли вести атаки крупными силами кавалерии. Здесь на русские позиции раз за разом накатывались кавалерийские корпуса Латур-Мобура и Монбрена, которые не могли прорвать плотные построения пехоты и отражались контратаками кавалерии и артиллерией.
После 17 часов наступающий порыв французской кавалерии, понесшей громадные потери, иссяк, и сражение стало затухать. Только артиллерийские перестрелки продолжались до темноты. В сумерках Наполеон отвел кавалерию с захваченных позиций ближе к воде, а пехота осталась ночевать рядом с трупами погибших. Обе армии стали приводить в порядок поредевшие части и подсчитывать потери.
Кровопролитнейшее сражение закончилось практически вничью. Французы не смогли разгромить русскую армию, которая, хотя и была вытеснена практически со всех занимаемых на начало сражения позиций, но, отойдя на 1−1,5 км, заняла новые и стояла на них непоколебимо. «Из всех моих сражений, — писал впоследствии Наполеон, — самое ужасное то, которое я дал под Москвой. Французы в нем оказали себя достойными одержать победу, а русские стяжали право быть непобедимыми».
Массовый героизм и самоотверженность воинов придали сражению крайне ожесточенный и упорный характер. Об этом свидетельствует и незначительное количество трофеев. Обе стороны захватили по полтора десятка пушек, по тысяче пленных, в том числе — по одному израненному генералу. Но знамен, которые во все времена символизировали разгром противника, не взяли ни одного.
Людские потери, напротив, были ошеломляющими. У французов погибло и было ранено более 30 тыс. человек (по некоторым источникам до 50 тыс.), в том числе убито 10 и ранено 39 генералов. Особенно пострадала французская кавалерия, ее потери достигли 60 процентов.
Русская армия лишилась около 46 тыс. человек, в том числе 29 генералов (6 — убито и 23 — ранено). Невосполнимой потерей для России стало смертельное ранение Багратиона — одного из лучших генералов суворовской школы, гибель или тяжелое ранение многих любимых солдатами военачальников.
Последствия сражения были много значимее его материальных результатов. Это с поразительной глубиной понял Лев Толстой: «Нравственная сила французской, атакующей армии была истощена. Не та победа, которая определяется подхваченными кусками материи на палках, называемых знаменами, и тем пространством, на котором стояли и стоят войска, — а победа нравственная, та, которая убеждает противника в нравственном превосходстве своего врага и в своем бессилии, была одержана русскими под Бородином».
Русская армия восприняла Бородино как победу, так же оценили сражение император и русское общество. Александр I произвел Кутузова в генерал-фельдмаршалы и пожаловал ему сто тысяч рублей. Отступление из-под Бородина и оставление Москвы рассматривалось русскими не как бегство от преследующего победителя, а как тактический маневр для продолжения борьбы и окончательного разгрома противника. И этот маневр себя оправдал. Дальше Москвы французы продвинуться не смогли, а уже 18 октября началось их отступление, которое под ударами русских войск переросло в повальное бегство.