«Под Сызранью и Николаевском чешские части заметно начали сдавать: не проявляли прежней активности, обороняться было труднее. Здесь нужно отметить, что при действиях в районе железной дороги чехи жили в вагонах, из которых выходили для действий, оборона же требовала иногда ночлега в поле, в плохую погоду, долгого лежания в окопах и проч. Все это действовало скверно на людей, ранее быстро добивавшихся успехов», — отмечал Павел Петров.
Чапаев располагал не меньшими силами, чем противник, примерно шестью тысячами бойцов и двадцатью орудиями, но опасался удара казаков с тыла. Чтобы усилить свои части, он отправился в Николаевск и собрал совместное заседание уездных исполкома и комитета партии. Начдив потребовал мобилизовать не менее трехсот рабочих и немедленно отправить их под село Корнеевка для создания заслона перед казаками. В противном случае, считал Чапаев, дивизии придется отступать до Саратова. Предложения Чапаева были немедленно приняты и реализованы, отряд рабочих отправился на позиции.
Поздним вечером 7 сентября, когда закончилось совещание командного состава, Чапаев подозвал командира 3-го полка Ивана Патрикеева: «Ты вот что, командир, учти, что у неприятеля хорошие, почти неприступные позиции. Взять его с фронта нелегко. Да ты особо и не торопись брать. Твое дело отвлечь на себя внимание противника. А мы его тем временем главными силами ударим с фланга и с тыла. В общем, зажмем в кольцо… И не выпустим. Понятно?.. И вот что, ты береги людей! Помни, что за каждого человека будешь в ответе».
Ранним утром 8 сентября главные силы дивизии Николаевских полков двинулись на село Левенка, где располагались, как утверждал Иван Кутяков, около трех тысяч солдат и офицеров Народной армии. Атака 4-го полка была отражена, противник перешел в контратаку, но получил сильный удар с флангов от главных сил чапаевской дивизии. Начдив вовремя оказывался там, где создавалась критическая ситуация, его присутствие воодушевляло красноармейцев и командиров, которые сумели сломить сопротивление неприятеля и выйти ему в тыл. Части Народной армии попытались закрепиться в селе Липовка, но не смогли удержать свои позиции и отступили на север.
Как отмечал в донесении штаб дивизии, бой был крайне упорным, противник неоднократно пытался перехватить инициативу и переходил в контратаки. Смертельное ранение в бою получил командир 2-го полка Курсаков, были убиты помощник командира 3-го полка Чуркин и командир батальона Спицын. Потери красноармейцев были велики, кроме того, на сторону противника перешли 40 крестьян, мобилизованных в селе Брыковка.
Чапаев не только умело руководил ходом сражения, но и неоднократно появлялся в боевых порядках, в стрелковых цепях и на артиллерийских позициях, ободрял неопытных красноармейцев, закреплял успех. Личным примером начдив смело поднимал своих бойцов в атаку.
Противник понес серьезное поражение, в донесении указывалось, что только убитыми противник потерял до тысячи человек, захвачены десять пулеметов, много винтовок и 250 подвод со снарядами. Вероятно, личное участие Чапаева, чья слава гремела не только в Красной армии, но и в рядах неприятеля, отчасти деморализовало народоармейцев и чехов, которые почувствовали опасность обхода и окружения.
Сергей Захаров телеграфировал: «Приветствую вас, весь командный состав и доблестных красноармейцев вверенной мне дивизии. Приношу сердечную благодарность за храбрый подвиг в с. Орловка над врагами трудового народа и революции. Вы, товарищи, не раз показывали себя славными героями в защите власти трудового народа и социальной революции. Надеюсь и впредь вы послужите примером вашим товарищам на страх врагам и их наемникам».
В тот же день штаб 4-й армии также отметил заслуги Чапаева и его бойцов: «Бой был жестокий, которым должна была решиться судьба Николаевска и его уезда. Но благодаря тому, что в цепи были как красноармейцы, так и все начальствующие лица, включительно до врид (временно исполняющего должность. — П. А.) начальника дивизии т. Чапаева, начальника штаба Галактионова и все политические комиссары. За таковой блестящий бой объявляю т. Чапаеву искреннюю благодарность. Молодецким Николаевским полкам, принимавшим участие в этом тяжелом и славном бою, прокричим мы от всей 4 армии громкое ура!»
Сейчас нам трудно оценить, насколько достоверны данные о трофеях сентябрьского боя с частями Народной армии и чехословацкими войсками. Очевидно, что они понесли серьезное поражение, сказавшееся на всем ходе боевых действий на правом фланге Восточного фронта. Вечером 12 сентября Чапаев вновь отправился в Николаевск. Он устало отрапортовал исполкому: «Объединенные силы белой армии и чехов разбиты и в панике бежали».