Последовали новые маневры и контрманевры. Под Нюрнбергом две армии сошлись лицом к лицу, шведы закрепились в городе, а Валленштейн угрожал им из укрепленного лагеря в двух или трех милях от города. Начавшиеся болезни и недостаток провианта заставили Густава предпринять попытку штурма лагеря, чтобы таким образом выйти из тупика. Несколько часов его лучшие части, состоявшие из шведов, финнов и шотландцев, штурмовали высоту, которая была ключом к позициям Валленштейна, но каждый раз их атаки бывали отбиты. В конце концов король отдал приказ прекратить штурм, потеряв около 4000 ветеранов; шведы отступили, оставив в городе сильный гарнизон. Несколько дней спустя Валленштейн, войско которого понесло почти такие же потери, что и шведы, тоже свернул свой лагерь.
Ближе к концу года, когда большинство армий переходило на зимние квартиры, Густав передислоцировался в Лейпциг. Армия Валленштейна закрепилась вокруг селения Лютцен и в нем самом, и именно здесь 15 ноября 1632 года король вступил в свою последнюю битву. Имперские войска насчитывали, по всей вероятности, около 20 000 человек — и еще около 8000 человек под командованием Паппенхайма были расквартированы поблизости, готовые прийти на помощь. Когда стало известно о наступлении шведов, эти войска были подняты по тревоге, но не успели подойти к началу сражения. Валленштейн выстроил свои войска параллельно дороге на Лейпциг, правый фланг их опирался на подожженный Лютцен. Его пехотинцы были сгруппированы в пять больших прямоугольных «ратей», с мушкетерами на каждом углу — знакомый нам строй «крепости с бастионами». Четыре из этих «ратей» находились в центре, а одна располагалась ближе к Лютцену. Кавалерия располагалась на каждом из флангов, причем на левом фланге было оставлено место для войск Паппенхайма. Вся артиллерия была сведена в две батареи — одна расположилась перед центром всего строя, а другая около Лютцена.
Войско короля было построено почти так же, как и в сражении под Брейтенфельдом. Силы противников количественно были почти равны, хотя большинство исследователей считает, что имперские войска преобладали.
Утро сражения было чрезвычайно туманным, и лишь часам к одиннадцати развиднелось настолько, что артиллеристы обеих сторон смогли открыть огонь. Орудия грохотали около часа, и вспышки оранжевого огня в тумане высвечивали первые ряды противников. Затем к туману добавились клубы порохового дыма и гарь сожженной деревни; Густав отдал приказ наступать. Он лично повел в бой своих кавалеристов правого фланга, смял передовое прикрытие неприятеля и привел назад свою конницу. Герцог Саксен-Веймарский Бернгард, командуя левым флангом, тоже добился успеха, но стоявшая по центру пехота, хотя и захватила почти все орудия неприятеля, была все же вынуждена отступить. Получив донесение об этом, король повел на помощь отступавшей пехоте кавалерийский полк. В густом тумане, перемешанном с дымом, он потерял из виду своих людей и, оставшись только с тремя своими приближенными, наткнулся на отряд неприятельской конницы и был убит.