Теперь под ударом оказалась не Подольская армия, а корпус маршала Мортье. Наполеон попытался исправить свою ошибку, остановив наступление главных сил и начав переправлять на судах французской Дунайской флотилии корпуса Сульта и Бернадотта. Однако судов было мало, и войска Мортье помощи не получили. Двигаясь по узкой дороге к Кремсу, они сильно растянулись в пути, сам начальник корпуса находился с передовой дивизией. Русский главнокомандующий сумел заслать к нему лазутчиков, которые уверили его в том, что русская армия спешно отступает в Моравию, и Мортье с одной авангардной дивизией, не дожидаясь подхода других, двинулся вперед, даже не выслав дозоры в окрестные горы.

Получив от разведки достаточно полные сведения о составе и движении наполеоновского корпуса, генерал от инфантерии М.И. Голенищев-Кутузов принимает решение его разбить. Разделив свои войска на четыре колонны, он направил М.А. Милорадовича навстречу авангардной дивизии французов, чтобы атаковать ее с фронта. Колонне Д.С. Дохтурова ставилась задача пройти 7 километров по горам и к семи часам утра выйти неприятелю в тыл. Колонне генерал-майора Ф.Б. Штрика предстояло нанести фланговый удар. Отряд П.И. Багратиона охранял тылы русских войск. Резерв сил Милорадовича составил отряд Эссена 2-го. Вдоль берега Дуная были поставлены батареи, чтобы воспрепятствовать подходу вражеской речной флотилии.

Замысел Кутузова удался. Сражение началось около девяти часов утра. Бой между авангардом корпуса Мортье и войсками Милорадовича сразу же принял ожесточенный характер. Когда наполеоновский маршал ввел в дело всю свою головную пехотную дивизию, русские стали отступать, заманивая неприятеля под фланговый удар колонны Штрика.

В это время колонна Дохтурова все еще совершала обходной маневр в горах. Ее вел австрийский генерал-квартирмейстер Шмидт, расчет которого оказался неверным. Узкие горные тропы и начавшийся дождь замедлили марш. Дохтуров решил, оставив артиллерию и кавалерию, идти с одной пехотой. В назначенный пункт колонна вышла не к семи часам утра, а лишь в семнадцать часов.

Ослабленный русский отряд вышел в тыл авангардной дивизии Мортье, но сам был атакован с тыла другой подошедшей французской дивизией. Завязался жаркий бой, в котором противники не раз кидались друг на друга в штыковые атаки. Как говорил наполеоновский генерал Дюпон, «твердость русских равнялась мужеству французов».

После двухчасового боя пехота Дохтурова, не имея ни артиллерийской поддержки, ни помощи кавалерии, оказалась не в силах противостоять атакам свежей французской дивизии и в девять часов вечера вынуждена была очистить путь остаткам авангарда корпуса Мортье. Его войска всю ночь отходили к Дунаю и на лодках переправлялись на другой берег реки. Через два дня на левобережье не осталось ни одного француза.

Сам Наполеон назвал дело у Кремса 30 октября (11 ноября) 1805 года со всей справедливостью «побоищем». Французы потеряли около 5000 человек, в том числе около 1,5 тысячи пленными, пять орудий, штандарт и знамя. Потери русских составили около 2000 человек.

Среди отличившихся в сражении у Кремса оказался Московский мушкетерский полк. Генерал Д.С. Дохтуров доносил главнокомандующему: «Все три батальона Московского мушкетерского полка, составлявшие первую линию, грудью шли вперед, исполняя во всей точности мои приказания и без всякой расстройки заходили по отделениям, строили колонну, опять выстраивались и пальбу по отбою с невероятной скоростью прекращали».

Поражение наполеоновских войск под Кремсом имело огромное значение, прежде всего моральное. Впервые французский император встретился с достойным противником, от которого потерпел поражение. Однако Кремская победа русского оружия имела и стратегическое значение. Она разрушила планы Наполеона на уничтожение Подольской армии до подхода к ней подкреплений, позволила союзникам произвести перегруппировку сил для новых сражений и главное — рассчитывать на вступление в войну Пруссии.

Австрийский император Франц I, отмечая заслуги Михаила Илларионовича в победе под Кремсом, писал ему: «Не умею лучше выразить армии мою искреннюю благодарность и удовольствие, как жалуя вам, как ее начальнику, военный орден Терезии большого креста в знак всегдашней памяти обо мне и счастливой этой победы».

До полководца М.И. Голенищева-Кутузова этой высшей боевой награды Австрийской империи были удостоены лишь двое русских: цесаревич Константин Павлович и генералиссимус A.B. Суворов-Рымникский.

Казалось, что переправа через Дунай и победа под Кремсом дали полководцу России возможность полностью реализовать свои стратегические замыслы. Подольская армия получала свободу движения к Ольмюцу (Оломоуцу) на соединение с подходившими для подкрепления войсками Буксгевдена. Казалось, что теперь германская армия Наполеона надолго застрянет за Дунаем. Мост у Кремса был разрушен.

Единственный Таборский мост у Вены охранялся крупными силами австрийских войск под командованием генерал-майора Ф. Ауэрсперга, которые прикрывали город. Стремясь изменить ситуацию в свою пользу, Наполеон послал на неприятельскую столицу корпуса Мюрата и Ланна. События двух ближайших дней после Кремской победы решительно осложнили всю обстановку. На рассвете 1 (3) ноября драгунская бригада Себастиани заняла Вену без сопротивления австрийцев.

Произошло это так. Мюрат и Ланн вступили в переговоры с князем Ауэрспергом, уверяя его в том, что между Наполеоном и Францем I заключено перемирие. Они шаг за шагом продвигались по Таборскому мосту, пока не очутились на противоположном берегу. Вслед за ними на глазах изумленных австрийцев французские гренадеры без единого выстрела перешли мост и захватили батареи пушек. Ауэрспергу ничего не оставалось, как сдать неприятелю без сопротивления Вену и отступить от нее.