Накануне сражения в ночь на 1 октября в Муттенскую долину спустился русский арьергард, последним покинувший Альтдорф. Корпус Розенберга усилился тремя мушкетерскими и двумя казачьими полками, после чего его общая численность составила около 7000 штыков. К французам тоже пришло подкрепление, и их численность увеличилась до 15000 штыков.
Сражение в Муттенской долине продолжилось 1 октября (20 сентября по юлианскому календарю) Массена вновь атаковал русских. Бой начался с перестрелки боевого охранения обеих сторон. Затем Массена развернул свои войска в следующий боевой порядок. По склонам гор справа и слева шли густые стрелковые цепи, которые вели беспрерывный ружейный огонь по противнику. В долине пехота французов наступала тремя колоннами. Две – по левому берегу реки, одна - по правому, артиллерия продвигалась у передовых колонн, поддерживая наступление своих войск огнем.
Боевое охранение русских отошло к основным силам, не ввязываясь в бой. Только русские егеря вели прицельный огонь, сдерживая противника. Генерал Розенберг построил весь свой корпус в линию батальонных колонн, перед Францисканским монастырем, перекрыв всю долину. Приближаясь к противнику, французы также развернулись в линию батальонных колонн и продолжили наступление. Русские выждали, пока противник приблизится на дистанцию 60 шагов, произвели залп, пушки потчевали французов картечью, после чего по команде генерала Розенберга русская пехота дружно пошла на французов в штыковую атаку. Слаженное движение вперед русских войск произвело впечатление на врага. Первые ряды французов, не дожидаясь столкновения, повернулись спиной к противнику и попытались бежать, сминая свои боевые порядки. Массена с трудом остановил этот спонтанный порыв своих солдат, но это ему мало помогло. Штыковой удар русских был мощным и беспощадным. Французы, неся большие потери, начали отступать.
В конце Муттенской долины было сужение, там Массена поставил пяти пушечную батарею и оборудовал хорошие позиции для стрелков. Когда основные силы французов при отходе втянулись в это сужение, батарея и стрелки открыли ураганный огонь по наступающим русским, но порыва атакующего противника они остановить не смогли. Русские гренадеры взяли эти позиции с ходу, не задерживаясь на них ни секунды, продолжили движение дальше. Французский арьергард встал стеной, перекрыв узкий выход из долины, одним флангом примкнув к скалам, другим к руслу реки. В это время добровольцы из русской пехоты и спешенных казаков приняли вправо, поднявшись по отвесным скалам, обошли арьергард республиканцев и ударили ему в левый фланг и тыл. Французы побежали. Какие-то батальоны пытались оказывать сопротивление, но тщетно. Натиск русских уже было не остановить.
Казаки и русская пехота преследовали противника до Швица. Армия Массены была столь обескуражена действиями противника, что не стала оборонять город, а отступила за Швиц, в который русские входить не стали. С наступлением темноты Розенберг отвел свои войска на исходные позиции.