Утром 12 (24) октября Дохтуров подошел к городу и, имея сведения о малочисленности противника, отправил в атаку егерский полк полковника А. Бистрома (примерно 1 000 солдат). За счет численного перевеса удалось выбить французов (500–600 солдат) на окраину города. К 10 часам у Малоярославца сосредоточились все части армейского корпуса Е. Богарне. Последний перебросил в помощь остаткам пехотной дивизии еще и бригаду, которая при поддержке артиллерии снова овладела городом. В ответ Дохтуров направил в помощь передовым частям, которыми командовал Ермолов, бригаду генерал-майора Ф. Талызина. В результате неприятель вновь был выбит из города. Однако Богарне около полудня ввел в бой еще одну бригаду, и Малоярославец опять оказался в руках противника. Войска Ермолова, подкрепленные тремя пехотными полками, контратаковали противника и выбили его из города. Попытка французов провести ответную атаку силами двух пехотных дивизий также была отражена. После этой неудачи Богарне бросил в наступление свежую пехотную дивизию дивизионного генерала Д. Пино, которая впервые участвовала в бою в кампании 1812 года. Вскоре ее солдаты вытеснили российские войска из города за Калужскую заставу.
Таким образом, к полудню в Малоярославце сражались друг против друга 9 тысяч французов (две дивизии) и 9 тысяч русских солдат.
После обеда на помощь Дохтурову подоспел корпус Раевского. С обеих сторон постепенно подходили новые силы (приблизительно до 24 тысяч с каждой стороны), и сражение приняло ожесточенный характер. Город имел ценность как плацдарм на правом берегу реки Лужи. Это сражение и захват плацдарма имели значение в случае продолжения движения французской армии.
Раевский принял командование над центром и правым крылом российских войск, подкрепив их четырьмя пехотными полками. В результате общего наступления ему удалось овладеть верхней частью города и его предместьями. Однако Богарне дополнительно ввел в бой бригаду итальянской гвардии и в очередной раз захватил город.
Около 16 часов подошли главные силы русской армии, Кутузов занял удобную позицию на расстоянии 1–3 километров к югу от Малоярославца вдоль пути к Калуге. Части пехотного корпуса генерал-лейтенанта М. Бороздина сменили обескровленные полки Дохтурова, выбили неприятеля из города и успешно отразили его контратаки. Но вскоре по приказу Наполеона в город вступила пехотная дивизия дивизионного генерала Ж. Компана, а под городом сосредоточилась вся резервная кавалерия маршала Мюрата. В результате мощного удара противник снова занял город.