После получения информации о том, что Альбрехт фон Валленштейн ослабил свою армию, рано утром 15 ноября Густав II Адольф привел свои войска в движение, ища генеральной битвы. И в тот же день имел место бой у деревни Риппах, в 5 километрах к юго-западу от Лютцена.
Валленштейн, сориентировавшись в происходившем, приказал немедленно вернуть отправленный в район Кёльна отряд. Паппенгейм получил указание о срочном возвращении, но он находился уже в 25 километрах, и его движение было затруднено разбитыми осенними дорогами. Тогда Паппенгейм оставил свою пехоту и артиллерию, двигавшуюся слишком медленно, а сам во главе кавалерии помчался назад – насколько возможно быстро.
Альбрехт фон Валленштейн, заняв позицию на север от дороги на Лейпциг, выстроил войска фронтом на юго-восток.
Центр позиции заняли четыре колонны пехоты, а кавалерия была расположена на флангах: правое крыло в окрестностях Лютцена – во главе с графом Генрихом фон Хольком, а левое крыло – под командованием Матиаса Галласа. Построение было глубоким, канавы вдоль дороги были использованы в качестве траншей, правый фланг упирался в Лютцен, левый – в речку Флоссграбен. Артиллерия была разделена на две батареи: более крупная (из 14 орудий) стояла на небольшом холме на правом фланге, а вторая (из 7 орудий) располагалась в центре.
Утром 16 ноября шведы начали движение от Риппаха в направлении имперских войск. Шведская армия состояла из двух частей, в состав каждой входили пехота и кавалерия.
Вместе шведские силы насчитывали около 18 000 человек, имперские силы без Паппенгейма насчитывали 12 000 солдат и офицеров (плюс 5000 человек было у Паппенгейма). Около 11:00 силы Густава II Адольфа завершили построение и начали битву.
Шведский король решил нанести основной удар силами правого крыла своей армии, которым он командовал лично. Его цель состояла в том, чтобы выбить противника из усиленных полевыми укреплениями позиций к северо-востоку от Лютцена. Сам город был подожжен по приказу Валленштейна, которому явно не хватало сил для его удержания. Жители Лютцена перед этим укрылись в городском замке. Имперцы расположили цепи мушкетеров на городских валах и в сухих придорожных канавах.
Первая атака шведской армии имела успех. Имперские мушкетеры были отброшены. Шведская пехота захватила батарею в центре боевого порядка противника. Еще более эффективной получилась атака кавалерии: легкая хорватская кавалерия имперцев была опрокинута, и возникла угроза полного разгрома имперского фланга. Однако около полудня к полю боя подошел граф Паппенгейм с тремя кавалерийскими полками. Но его пехота сильно отстала, поэтому произведенная атака не получила поддержки. При этом сам Паппенгейм получил смертельное ранение, и его атака захлебнулась. Тем не менее угроза охвата левого фланга имперцев была устранена. Подкрепления имперская армия получила также от Оттавио Пикколомини, герцога Амальфи, который во главе двух полков второй линии вступил в битву. Совместными усилиями они вернули потерянную батарею в центре.
Густав II Адольф возглавил контрудар. Это было между 12:30 и 13:00. Его лошадь была ранена, той же пулей был ранен в руку и сам король. Атака продолжалась без него, и с Густавом Адольфом осталось только семь или восемь человек. А дальше произошло то, к чему невозможно подготовиться: в густом тумане на них случайно наткнулся отряд имперских кирасир. В завязавшемся бою шведский король был застрелен из пистолета и добит палашами. На вопрос имперского кирасира о том, кто он, Густав Адольф ответил: «Я был шведским королем». Оттавио Пикколомини, которому сообщили о произошедшем, распорядился вынести тело с поля сражения, но труп короля был отбит шведами.
После нелепой гибели короля битва продолжалась. Командование взял на себя князь Бернгард Саксен-Веймарский. Солдатам не сообщали о гибели Густава Адольфа, и бóльшая часть шведской армии не знала о случившемся.
В следующей атаке основной ударной силой шведов стали пехотные бригады, сформированные из немцев. Они атаковали центр имперской позиции. Но этот удар имел для шведской армии едва ли не катастрофические последствия. Обе бригады были отбиты и потеряли около 2/3 личного состава. Это произошло примерно в 13:30.
Однако этот свой успех имперцы не могли развить. Если в центре положение сделалось весьма тяжелым для шведов, то на флангах все шло к катастрофе имперской армии. После гибели Паппенгейма боевой дух его солдат пошатнулся, и шведам удалось серьезно поколебать имперский левый фланг. Такое же положение сложилось и на другом фланге имперцев, примыкавшем к Лютцену.
Около 15:00 шведы, введя в бой последние резервы, организовали очередную серию атак на имперские позиции. К этому моменту обе стороны были уже крайне истощены, поэтому после этого наступила пауза, нарушавшаяся лишь вялой артиллерийской перестрелкой.
Финальный раунд битвы начался приблизительно в 15:30 и длился около полутора часов. Шведы вновь атаковали имперский правый фланг. В ходе боя никому из старших командиров имперского фланга не удалось избежать ранений. В частности, был очень тяжело ранен Оттавио Пикколомини. Был смертельно ранен полковник Бертольд фон Валленштейн, родственник главнокомандующего. Выход из строя командиров, утомление и серьезные потери привели к постепенному отступлению имперского фланга, потере валов вокруг Лютцена и батареи. Таким образом, к моменту наступления темноты ключевые имперские позиции находились в руках шведов, но воспользоваться достижениями дня они уже не могли. К концу дня был также ранен пулей в бедро сам Альбрехт фон Валленштейн.
Сумерки начали сгущаться около 17:00, поэтому сражение было остановлено. К 18:00 к имперцам подошла пехота Паппенгейма – 3000 человек с полковыми орудиями.
Валленштейн собрал совет своих командиров. Некоторые из них высказались за продолжение сражения на следующий день, полагая, что пехота и артиллерия Паппенгейма могут принести победу. Однако сам Валленштейн был против продолжения боевых действий. С одной стороны, он не был уверен в стойкости своих измотанных за день солдат, с другой, не было известно, не подошли ли подкрепления к шведам. Кроме того, сам Валленштейн после ранения чувствовал себя отвратительно. В итоге, было принято решение отступать.
Артиллерия была брошена, так как для ее перевозки не хватало лошадей.
Отступление началось примерно в 20:00, отход прикрывался пехотой Паппенгейма. Пошла армия в сторону Богемии, где находились личные владения Валленштейна. В Лейпциге была оставлена бóльшая часть раненых – более 1000 человек. Эти люди попали в плен с подходом союзных шведам саксонских частей.
Тем не менее о своей победе заявили как имперцы, так и шведы. Но шведы могли продемонстрировать хоть какие-то атрибуты победы в виде трофейных пушек и взятых в Лейпциге пленных. Кроме того, имперцы оставили поле сражения. Однако имперская армия не была разгромлена, а для шведов их успех был омрачен гибелью их харизматичного лидера – короля Густава II Адольфа.
Мнения историков о потерях в этом сражении расходятся. Одни говорят, что шведские потери составили около 1500 человек убитыми и около 3500 ранеными. Другие определяют потери шведов в 3000 человек. Имперцы, по разным данным, потеряли от 3000 до 6000 человек.