После обеда Милорадович предпринял очередную атаку. Основные силы были брошены на правый фланг французской позиции против сильно поредевших войск Даву. Здесь началось кровопролитное сражение, и российским войскам удалось потеснить неприятеля. В условиях возможного прорыва и обхода справа Богарне начал отходить к Вязьме. Первоначально его войска закрепились на высотах перед городом, но огонь русской артиллерии заставил французов сняться с позиций и отступить к Вязьме. Французам потребовалось время, чтобы переправить через реку Вязьму обозы и тыловые службы.
Возле высот Вязьмы также находился корпус маршала Нея. Уже вместе четыре корпуса, численность которых оценивалась в 37 000 солдат, организовали оборону. Но, собравшись на совет, два маршала и два генерала, приняли решение продолжать отступление. Первыми начали отходить Богарне и Понятовский. За ними последовал Даву, но под напором российских войск его корпус начал бежать. Последним выступал Ней, который пропустил другие корпуса через город. Вечером под натиском войск противника он вынужден был очистить город, перейти через реку Вязьму и уничтожить мост.
После этого Милорадович преследовал противника до Дорогобужа. Тем временем казаки Платова и Орлова-Денисова препятствовали фуражировке противника по обеим сторонам от дороги и уничтожали его мелкие отряды. Кутузов с основными силами двигался на Ельню, продолжая свой стратегический фланговый марш параллельно отступающему Наполеону.
Уже 28 октября (9 ноября) из Ельни Кутузов доложил Александру I о результатах боя под Вязьмой. Он утверждал, что в плен было взято 2 000 человек, в том числе один генерал. Пленные французские офицеры говорили о 7 000 убитых. Собственные потери российский фельд_маршал оценил в 800 убитых и 1 000 раненых. Также Кутузов упомянул и о захваченных казаками Платова и Милорадовичем 8 орудий и 800 пленных. Это был результат трехдневного преследования противника до Дорогобужа.
Тот же Шамбре говорил, что французы потеряли 4 000 убитыми и ранеными и 3 000 пленными. Надпись на стене Храма Христа Спасителя указывает на потери российской армии в Вяземском сражении в 1 800 человек.
Генерал Ермолов писал: «В Вязьме в последний раз мы видели неприятельские войска, победами своими вселявшие ужас повсюду и в самих нас уважение. Еще видели мы искусство их генералов, повиновение подчиненных и последние усилия их. На другой день не было войск, ни к чему не служила опытность и искусство генералов, исчезло повиновение солдат, отказались силы их, каждый из них более или менее был жертвою голода, истощения и жестокости погоды».