К этим неудачам добавилась испортившаяся погода. Два дня подряд, 18 и 19 сентября, шел сильный дождь, заполнивший траншеи водой. Тем не менее на военном совете, состоявшемся 21 сентября, было решено предпринять новый штурм 24 сентября. Но он оказался столь же безуспешным, как и первый. Солдаты и стрельцы Гордона и Лефорта, взобравшиеся без лестниц на вал, были оттеснены отчаянно сопротивлявшимися турками в ров, подверглись обстрелу из ружей и гранат. По приказанию Петра в бой были брошены Преображенский и Семеновский полки с тысячью казаков. Они взобрались на вал. Гордон решил их поддержать и повторно отправил свои войска к валу, но успеха не достиг. Русские вынуждены были отступить.

Сам Лефорт в письме брату так описывал военные действия под Азовом, как обычно, слегка преувеличивая свою роль:

«Уверяю вас, дорогой брат, что во время 14 недель, которые я провел под Азовом, атаки были сильные, особенно на моем фланге, где я один расположился лагерем со стороны моря. Враг сделал сумасшедшую вылазку из города, и кавалерия, или татары, сопровождала пехоту. Было более 10 тысяч татар, самые отважные из них — черкесы. Первая битва длилась долго, они хотели форсировать мои позиции, но после двухчасовой битвы были вынуждены отступить с большими потерями. С моей стороны я потерял отважных офицеров, мой лагерь был покрыт стрелами. Несколько сот солдат было убито и ранено. Я скажу вам коротко, без хвастовства, что, слава Богу, мне повезло. Мы очень сомневались в том, что солдаты смогут противостоять таким сильным атакам без посторонней помощи. Несмотря на все, я им закрыл все проходы, так что Азов не имел никакого сообщения с кавалерией. Положение их было безнадежным. В течение 14 дней не было ни одного, когда бы мы не развлекались пушечной пальбой. Я укрепил мой лагерь так сильно, как только мог, для того, чтобы иметь больше людей на подступах с моей стороны. По моему приказу на город было брошено около 6 тысяч бомб. У меня были две батареи, состоящие из двенадцати 36-фунтовых пушек каждая и 25 мортир. В течение восьми дней весь город был сожжен. Мы сделали два больших приступа. Город мог бы быть взят, если бы вовремя нашелся один генерал с заранее подготовленными к этому людьми. Из тысячи пятисот моих солдат 900 было убито или ранено. Они оставались на крепостных валах еще два часа для того, чтобы спасти три знамени, которые вместе с убитыми офицерами упали в турецкие рвы. Они предпочли умереть, нежели потерять свои знамена. Если было бы еще тысяч 10 солдат, город был бы взят приступом, но соглашением — никогда. Турки упрямы и не просят пощады». И чуть ниже о Гордоне: «Моему шурину Гордону не повезло… Он потерял 9 пушек, несколько знамен и несколько больших заклепанных пушек. Все было бы хорошо, если бы не эта неудача».

Возвращение армии в Москву сопровождалось природными катаклизмами. На второй день после того, как дана была команда к снятию осады, 30 сентября, сильный ветер с моря нагнал столько воды в Дон, что река вышла из берегов. Колеса повозок были затоплены до осей, у каланчей образовалось озеро, несколько человек утонуло, подмокла часть пороха. Отступление пришлось отложить до 2 октября. Отступающую армию преследовала татарская конница. Хотя она и не наносила значительного урона, но замедляла движение, вынуждала отступавших то и дело посылать отряды, чтобы отогнать татар.