Правым крылом русской армии командовал генерал Тучков, центром — Сакен, левым крылом — генерал Остерман-Толстой. Общая численность войск составляла около 68 000 человек при 400 орудиях. Кроме того, ожидался на подходе прусский корпус Лестока в 8000 человек. В общем все расположение русской армии вытекало из стремления обеспечить активную оборону.

Наполеон сосредоточил у Прейсиш-Эйлау более 70 000 человек и 450 орудий. Главный удар французский император предполагал нанести по левому крылу русских, чтобы отрезать им сообщения с Россией. В общий же план сражения входила задача окружить армию противника и уничтожить ее. Для этого, удерживая русские войска с фронта, Наполеон поставил задачу Нею и Даву обойти оба фланга русской позиции. Кроме того, Ней имел приказ не допустить соединения с Беннигсеном корпуса Лестока. Три дивизии Сульта занимали позиции левее дороги на Кенигсберг, составляя левое крыло французских войск. Остальные силы образовывали центр и правое крыло и должны были при подходе 25-тысячного корпуса Даву атаковать левое крыло русских и, опрокинув их, выйти им в тыл. Совместно с Даву, наступавшим через Зерпален на Заусгартен, должны были действовать дивизия Сент-Иллера, корпус Ожеро и вся кавалерия. Против русского левого фланга Наполеон, таким образом, сосредоточил три четверти своих сил.

 На рассвете 8 февраля русские заметили передвижение неприятельских войск и открыли артиллерийскую канонаду. Французы также ответили огнем и двинули в атаку свое левое крыло. Дивизии Сульта, поддержанные огнем 150 орудий, нанесли отвлекающий удар против войск Тучкова. Сульту было приказано овладеть несколькими опорными пунктами на правом фланге русских с целью отвлечь их внимание от движения корпуса Даву. Русские отбили атаки Сульта с помощью правофланговой батареи и сами перешли в контратаку, бросив на французов драгун.

К 10 часам утра корпус Даву появился в поле зрения неприятеля, поэтому Наполеон приказал Ожеро боевыми колоннами ударить по центру русских, не давая им возможности сосредоточить силы для отпора Даву. В это время началась сильная метель, и войска Ожеро очутились прямо перед орудиями нераскрытой центральной батареи. Как только Московский и Шлиссельбургский полки расступились, вся центральная батарея открыла в упор уничтожающий картечный огонь. Неожиданно начавшаяся метель и внезапный огневой удар ошеломили французов. Воспользовавшись замешательством неприятеля, русская пехота перешла в контрнаступление. Разгорелся встречный штыковой бой. В течение некоторого времени покрытые мглой снегопада 20 000 русских и французов истребляли друг друга в рукопашной. В конце концов корпус Ожеро был практически разгромлен и, понеся жестокие потери, стал отступать. Преследуя его, русские развивали атаку.

Ставка Наполеона в этот день находилась на кладбище в Прейсиш-Эйлау. С командного пункта император видел, как полки русских гренадер сплошной лавиной пошли вперед, опрокидывая французов. Русская кавалерия почти прорвалась к его ставке, гоня перед собой кавалеристов Сент-Иллера и пехоту неприятеля. Вокруг Наполеона сплошным дождем ложились ядра и гранаты. Глядя на атаку русских, император произнес: «Какая отвага!» Наполеон всегда считал, что главнокомандующий не должен рисковать своей жизнью без самой крайней необходимости. Но тут, под Эйлау, он видел, что снова, как под Лоди или под Арколе, наступила именно эта крайняя необходимость. Но там нужно было первому броситься на мост, чтобы этим порывом увлечь замявшихся гренадер за собой, под Эйлау же требовалось заставить свою пехоту стоять терпеливо часами под русскими ядрами и не бежать от огня.

Наполеон и окружавшие его видели, что только личное присутствие императора удерживает пехоту в этом тяжелом положении. Император оставался неподвижно на месте, отдавая приказания через тех редких адъютантов, которым удавалось уцелеть при приближении к тому страшному месту, где стоял окруженный несколькими ротами пехоты Наполеон. У его ног лежало несколько трупов солдат и офицеров. Пехотные роты, вначале окружавшие императора, постепенно истреблялись русским огнем и заменялись подходившими егерями, гренадерами гвардии и кирасирами. Наполеон продолжал хладнокровно отдавать приказания, хотя русская конница была уже близко, и сам император мог быть убит или захвачен в плен.

Но в этот миг 90 эскадронов маршала Мюрата во весь опор двинулись на поле битвы. Кавалерия Мюрата, поддержанная гвардейской конницей Бессьера, обошла неудачно действовавшие войска Сент-Иллера и обрушилась на конницу противника. Разрезав русские линии надвое, французская кавалерия столкнулась с русской. Началось настоящее побоище, в котором никто не хотел уступать; протекая с переменным успехом, в конце концов оно закончилось с большими потерями для обеих сторон. Тем не менее блестящая атака Мюрата спасла положение французской армии. Противоборствующие стороны отвели свои силы на исходные позиции, продолжая лишь артиллерийскую дуэль.

В полдень корпус Даву наконец вступил в сражение. Он атаковал передовой русский отряд у Зерпаллена, но сходу не смог добиться решительного успеха. Сопротивление отряда Багговута на этом участке вынудило Наполеона ввести в дело значительные силы против центра русской позиции и усилить свой правый фланг. Слева к корпусу Даву примкнула дивизия Сент-Иллера, а сзади подошли две драгунские дивизии из корпуса Ожеро. Все эти силы стали развивать наступление против левого фланга русских. Отряд Багговута, атакованный одновременно с трех сторон превосходящими силами противника, стал отступать к Клейн-Саусгартену. Ввод в бой резервных соединений русских не исправил положения. Левый фланг Беннигсена медленно отходил, оставляя в руках противника опорные пункты своей обороны: Клейн-Саусгартен, Ауклапен и Кучитен. Подполковник Ермолов в своих воспоминаниях так описывал этот момент: «Нападение на левый фланг было успешное. Не остановили его ни благоразумные распоряжения генерала барона Сакена, ни сопротивление неустрашимого генерал-майора графа Остермана-Толстого. Левый фланг отошел назад и составил почти прямой угол с линией армии».

 В этот тяжелый момент начальник артиллерии правого крыла русских генерал Кутайсов направил со своего фланга к Ауклапену три конно-артиллерийские роты под командованием Ермолова. Прибыв на место, Ермолов обнаружил русские войска истекающими кровью и держащимися из последних сил. Огнем 36 орудий подоспевшая батарея отбросила французскую пехоту и стала громить французские пушки. Приободрившиеся русские вновь овладели Ауклапеном и утвердились в нем. Ожесточение битвы нарастало. Ее участник Денис Давыдов писал в своем очерке: «Черт знает, какие тучи ядер пролетали, сыпались, прыгали вокруг меня, рыли по всем направлениям сомкнутые громады войск наших, и какие тучи гранат лопались над головой моею и под ногами моими! То был широкий ураган смерти, вдребезги ломавший и стиравший с лица земли все, что ни попадало под его сокрушительное дыхание».

В 17 часов на поле боя показались передовые части корпуса Лестока. Подойдя на помощь войскам Остермана-Толстого, пруссаки перешли в атаку. На всех пунктах русского левого фланга французы были отброшены; они удержались с трудом лишь у Клейн-Саусгартена, откуда их не удалось выбить. На этом сражение при Прейсиш-Эйлау фактически закончилось. До 21 часа продолжалась канонада с обеих сторон, но обессилевшие армии уже не помышляли о возобновлении схватки. Быстро темнело, было около двадцати шести градусов мороза. Наполеон ждал Нея, но его корпус подоспел лишь к десяти часам вечера. Французы отошли на исходный рубеж.

Узнав о подходе корпуса Нея, Беннигсен, опасаясь окружения, приказал отступить к Кенигсбергу. В полночь русские войска начали сниматься с позиций.