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正在苦苦支撐的俄軍又被奧第3集團軍從側翼攻來，頓時支撐不住，向著東北方向一路潰逃，損失慘重。與奧軍會合后，馬肯森聽說了奧軍的作戰意圖后，竟然與博洛耶維奇合兵一處，一起轉進到桑河谷地。

11月2日，奧匈第6集團軍首先在普熱米爾要塞外圍向俄第3集團軍右翼發起進攻。俄軍第3集團軍本來就在普熱米爾要塞下碰得頭破血流，損失慘重，其配置更成問題，全軍圍著要塞部署成球型，側翼的防御兵力十分薄弱。

11月3日，奧匈第6集團軍在進攻開始之后一天即突破俄第8軍的防御陣地。俄第8軍在對普熱米爾要塞的攻擊中損失慘重，因此才調到側翼來修整，沒想到竟遭遇到奧匈的生力軍，僅僅一天主要陣地就被突破。與此同時，奧匈第2、第7集團軍也分別從東、南兩個方向朝俄軍發起了全面進攻，在奧匈三路大軍的圍攻下，再加上防御要塞的奧軍也開始主動出擊，俄第3集團軍只堅持了半天就全線崩潰。

迪米特里耶夫將軍下令俄軍全線撤退。不過這位參加過日俄戰爭的將軍不愧得到了“皇軍”的真傳，手下的俄軍悍不畏死，全力突擊，還真潰圍而出。俄第3集團軍殘部沿著桑河河谷，一路向華沙逃去。很可惜，博洛耶維奇和馬肯森兩位悍將正在前面等著他呢。

博洛耶維奇和馬肯森指揮近30萬奧德聯軍向潰逃的俄第3集團軍展開猛攻，而奧匈第6集團軍在身后緊追不舍，經過一天一夜的激戰，奧軍第3、第6集團軍與德軍馬肯森集群合力將俄第3集團軍全殲在桑河谷地。

普熱米爾一役，奧德聯軍全殲俄第3集團軍26萬人，俄軍傷亡8萬，被俘17萬，只有數千人逃出了包圍圈。

一場大捷，足以讓剛剛遭受馬恩河戰役失敗的德國人感到振奮，而且也讓奧匈帝國國內騷動不安的情緒得以稍稍平復。

還且戰役還在持續，奧軍第2、第7集團軍在解救了普熱米爾之后，開始向右穿插，將俄軍第8集團軍25萬人包圍在了林堡。

戰役的進程已經超出了李海頓最初的預料。

在得到馬肯森的第9集團軍的增援后，奧匈在加利西亞一線集中了7個集團軍共135萬人，而俄軍由于在普熱米爾戰役中損失慘重，目前西南方面軍只有不到90萬人，兵力的對比上奧匈方面第一次占據了優勢。

李海頓下令部隊在上凍前抓緊掘筑溝壕，他可不想對這座防御堅固的城市要塞進行正面強攻，而是準備進行長期的圍困。

普熱米爾戰役，李海頓嘗試著將飛機和裝甲汽車投入到了戰斗之中，不過并沒有引起特別的關注——俄軍崩潰的太快了，甚至李海頓的大部分飛機都還沒有來得急起飛。