Следует отметить, что еще находясь в Москве, Наполеон посылал приказы о необходимости эвакуации всех раненых. Но как оказалось, только в Колочском монастыре находилось около 1000 раненых. Несмотря на то, что большинство из них были не способны перенести дорогу, император рассердился. Им был отдан приказ, «чтобы всякая повозка, каково бы ни было ее назначение, подобрала одного из этих несчастных, а наиболее слабые были оставлены, как в Москве, на попечение тех русских пленных и раненых офицеров, которые выздоровели благодаря нашим заботам».
Как уже было сказано, во время отступления противника Кутузов использовал так называемую тактику параллельного преследования. В частности, в результате Тарутинского маневра сложилась такая стратегическая ситуация, что фельдмаршал с основными силами находился южнее Наполеона. Именно это расположение привело к тому, что французский император был вынужден отказаться от похода на Петербург, так как его тылам угрожала российская армия. Также Наполеону не удалось прорваться к Калуге, хотя для его преследования Кутузов направил лишь часть войск. Сам же он начал двигаться южнее, проселочными дорогами, параллельно пути отступления Наполеона. Это и была стратегия параллельного преследования. Несмотря на свою «безобидность», она доставляла французам множество проблем. Так, с одной стороны, они были вынуждены двигаться без остановок, поскольку существовала постоянная угроза выхода основных русских сил к линиям снабжения. При этом Кутузов параллельным маршем мог обогнать Великую армию, которая в таком случае вообще оказалась бы отрезана от подкреплений и, в конце концов, капитулировала бы. С другой стороны, параллельное движение позволяло Кутузову держать под контролем выход к плодородным южным (украинским) губерниям, не рискуя при этом собственной армией.
Когда после сражения под Малоярославцем французы начали отступать по старой Смоленской дороге, Кутузов выделил авангард М. Милорадовича, который двигался между главной армией и собственно дорогой. С тыла же войска противника преследовали казаки Платова. В результате Наполеон ускоренным маршем отходил к Смоленску. Чтобы прорваться к украинским губерниям ему следовало бы вступить в бой с авангардом Милорадовича. Постепенно стратегическое преимущество и инициатива оказались на стороне Кутузова.
19 (31) октября Наполеон прибыл в Вязьму. Здесь он приказал маршалу Нею пропустить растянувшиеся войска и сменить в арьергарде маршала Даву. В это время продолжались атаки казаков на арьергард, который двигался в сомкнутых каре. Но до подхода русского авангарда через Вязьму не успели пройти корпус генерала Евгения Богарне, корпус генерала Понятовского и арьергардный корпус Даву. В это время, по сведениям Шамбре, силы французов насчитывали 37 500 солдат: пехотный корпус Даву – 13 000; пехотный корпус Нея – 6 000; пехотный корпус Богарне – 12 000; пехотный корпус Понятовского – 3 500 человек.
Именно под Вязьмой произошел бой Наполеона с казаками Платова и авангардом Милорадовича. Под командованием Милорадовича находились два пехотных и два кавалерийских корпуса (17 500 солдат, около 90 орудий); под начальством атамана М. Платова – пять казачьих полков (3 000 человек). Непосредственное преследование французов по Смоленской дороге вела пехотная дивизия Паскевича (4 000 человек). Таким образом, все силы оцениваются примерно в 25 000 солдат. Остальные российские силы, находившиеся всего в 9 километрах от города, в бой так и не вступили. Кутузов послал на помощь Милорадовичу кавалерийский корпус Уварова (менее 2 000 человек), однако из-за обширных болот в тех местах корпус не смог соединиться с авангардом и участвовать в сражении.
Милорадович с Платовым подошли к Вязьме в ночь на 22 октября (3 ноября). Видя расстройство в войсках противника, они пропустили корпус Понятовского и атакой разрезали итальянский корпус Богарне в районе села Максимова (в 13 километрах от Вязьмы). В результате солдаты Богарне бежали.
Эта удачная атака преградила путь войскам Даву, которые двигались из села Федоровское, однако передовые отряды французского арьергарда атаковали русскую кавалерию. Им удалось оттеснить ее с дороги. После этого корпус Даву снова начал движение, но после вступления в бой казаков Платова французы были выбиты из села Федоровское. К 10 часам утра к дороге вышла дивизия принца Вюртембергского и опять-таки отрезала корпусу Даву путь дальнейшего отхода. Одновременно с этим заняли позиции и полки Остермана-Толстого. Таким образом, отрезанный корпус Даву оказался в критическом положении: впереди дорога была перерезана Милорадовичем, на хвост колонны насели казаки Платова и дивизия Паскевича.
Войска Богарне перешли в наступление и им удалось оттеснить русскую пехоту с дороги. Впрочем, вскоре Милорадович развернул несколько артиллерийских батарей, которые открыли огонь по двигавшимся к Вязьме колоннам Даву. Корпус Даву нес тяжелые потери от артиллерийского огня, в то время как с тыла его теснили казаки Платова. Чтобы избежать окончательной гибели авангарда, маршал был вынужден свернуть правее дороги и двигаться на соединение с Богарне по пересеченной местности. Корпуса Богарне и Понятовского также вернулись, чтобы помочь корпусу Даву. Соединенными усилиями им удалось оттеснить заслон российских войск с дороги. В ходе этого маневра Даву был вынужден оставить большую часть своего обоза. Однако благодаря умелым действиям легкой пехоты Даву в конечном счете удалось соединиться с корпусом Богарне и занять позицию на правом фланге.
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».
На следующий день после битвы под Вязьмой пошел первый снег. Это дополнительно ухудшило положение Великой армии. К тому же поражение лучших французских корпусов под Вязьмой подорвало моральный дух в наполеоновских войсках. Считается, что с этого момента их отход превратился из вынужденного тактического маневра в катастрофическое отступление. Ней в письме к начальнику Главного штаба маршалу Бертье отмечал: «Почти только одна итальянская королевская гвардия шла еще в должном порядке, остальные упали духом и изнеможены от усталости. Масса людей бредет в одиночку в страшном беспорядке и большей частью без оружия… Без преувеличения, по всей дороге плелись около 4 000 человек от всех полков Великой армии, и не было никакой возможности заставить их идти вместе».
Бездействие армии Кутузова во время боя под Вязьмой вызвало непонимание среди солдат. Так, в ответ на просьбы генерала Милорадовича о помощи фельдмаршал не выслал ни одного отряда. Это, по мнению некоторых генералов штаба, было ошибкой, поскольку лишило российские войска потенциальной возможности полностью уничтожить почти три корпуса противника. При этом многие видели в таком упущенном шансе личную вину Кутузова. Тут можно провести некоторые параллели с Тарутинским сражением, когда Беннигсен так же, как и Милорадович в ходе Вяземского боя, не получил подкрепления.
Весьма критично оценивает действия Кутузова в своих воспоминаниях Ермолов: «Если бы стоявшая вблизи армия присоединилась к авангарду, на первой позиции был бы опрокинут неприятель; оставалось большое пространство для преследования; могли быть части войск совершенно уничтоженные, и гораздо прежде вечера город в руках наших. С превосходством сил наших нетрудно было отбросить часть неприятеля на Духовщину и всегда предупреждать ее на худой дороге в следовании к Смоленску».
О чем-то подобном писал и адъютант В. Левенштерн: «Он слышал канонаду так ясно, как будто она происходила у него в передней, но, несмотря на настояния всех значительных лиц Главной квартиры, он остался безучастным зрителем этого боя».