正在苦苦支撑的俄军又被奥第3集团军从侧翼攻来，顿时支撑不住，向着东北方向一路溃逃，损失惨重。与奥军会合后，马肯森听说了奥军的作战意图后，竟然与博洛耶维奇合兵一处，一起转进到桑河谷地。
11月2日，奥匈第6集团军首先在普热米尔要塞外围向俄第3集团军右翼发起进攻。俄军第3集团军本来就在普热米尔要塞下碰得头破血流，损失惨重，其配置更成问题，全军围着要塞部署成球型，侧翼的防御兵力十分薄弱。
11月3日，奥匈第6集团军在进攻开始之后一天即突破俄第8军的防御阵地。俄第8军在对普热米尔要塞的攻击中损失惨重，因此才调到侧翼来修整，没想到竟遭遇到奥匈的生力军，仅仅一天主要阵地就被突破。与此同时，奥匈第2、第7集团军也分别从东、南两个方向朝俄军发起了全面进攻，在奥匈三路大军的围攻下，再加上防御要塞的奥军也开始主动出击，俄第3集团军只坚持了半天就全线崩溃。
迪米特里耶夫将军下令俄军全线撤退。不过这位参加过日俄战争的将军不愧得到了“皇军”的真传，手下的俄军悍不畏死，全力突击，还真溃围而出。俄第3集团军残部沿着桑河河谷，一路向华沙逃去。很可惜，博洛耶维奇和马肯森两位悍将正在前面等着他呢。
博洛耶维奇和马肯森指挥近30万奥德联军向溃逃的俄第3集团军展开猛攻，而奥匈第6集团军在身后紧追不舍，经过一天一夜的激战，奥军第3、第6集团军与德军马肯森集群合力将俄第3集团军全歼在桑河谷地。
普热米尔一役，奥德联军全歼俄第3集团军26万人，俄军伤亡8万，被俘17万，只有数千人逃出了包围圈。
一场大捷，足以让刚刚遭受马恩河战役失败的德国人感到振奋，而且也让奥匈帝国国内骚动不安的情绪得以稍稍平复。
还且战役还在持续，奥军第2、第7集团军在解救了普热米尔之后，开始向右穿插，将俄军第8集团军25万人包围在了林堡。
战役的进程已经超出了李海顿最初的预料。
在得到马肯森的第9集团军的增援后，奥匈在加利西亚一线集中了7个集团军共135万人，而俄军由于在普热米尔战役中损失惨重，目前西南方面军只有不到90万人，兵力的对比上奥匈方面第一次占据了优势。
李海顿下令部队在上冻前抓紧掘筑沟壕，他可不想对这座防御坚固的城市要塞进行正面强攻，而是准备进行长期的围困。
普热米尔战役，李海顿尝试着将飞机和装甲汽车投入到了战斗之中，不过并没有引起特别的关注——俄军崩溃的太快了，甚至李海顿的大部分飞机都还没有来得急起飞。