В сражении под Севском Мстиславский и Шуйский имели около 30 тысяч человек, самозванец - 15 тысяч, в том числе, 7 польских конных хоругвей и 3 тысячи донских казаков. Артиллерия сторон была примерно равна: 14 орудий - у русских войск, 13 - у Лжедмитрия. Самозванец узнал, что вся неприятиельская армия собралась на ночлег в одной небольшой деревне, и решил внезапно атаковать, предварительно запалив Добрыничи. Однако русские дозоры поймали подигателей, и царские войска успели изготовиться к бою.

Сторожевой полк был атакован главными силами самозванца и отброшен к Добрыничам. Основной удар Лжедмитрий наносил по правому крылу неприятеля, рассчитывая отбрость его за реку Сев. Его конница атаковала двумя линиями. В первой линии были польские хоругви, во второй - русская конница, для отличия от правительственных войск надевшая поверх лат белые рубахи. Мстиславский приказал своему правому крылу также перейти в наступление, чтобы остановить и опрокинуть неприятеля. В первой линии русских войск находились отряды немецких и голландских наемников. Конница самозванца потеснила наемную пехоту, а затем отбросила и стоявшую за ней русскую конницу. После этого ударный отряд Лжедмитрия обрушился на центр армии Мстиславского - засевших в Добрыничах за возами с сеном стрельцов. Они встретили кавалеристов огнем из пищалей и пушек и обратили врага в бегство. Примеру конницы последовали пешие запорожцы на правом фланге Лжедмитрия, решившие, что сражение проиграно.

Русская конница, увидев, что враг бежит, перешла в контратаку и довершила разгром. Резерв Лжедмитрия, состоявший из пешего отряда донских казаков и артиллерии, был окружен и почти полностью уничтожен. Преследование армии самозванца велось на протяжении 8 км. Ему с остатками войска удалось уйти в Рыльск. В сражении под Добрыничами Лжедмитрий потерял 5-6 тысяч убитыми и не меньшее число пленными, а также все свои 13 орудий. Войско Мстиславского потеряло убитыми 525 чеовек.

Однако, Мстиславский не использовал свой крупный успех и не организовал настойчивого преследования разгромленных войск самозванца. В результате тот избежал плена и вновь успел набрать немалое число сторонников. С военной точки зрения сражение при Добрыничах знаменательно тем, что в нем русская армия (Мстиславского) впервые применила линейный боевой порядок.