Ранним утром 24 февраля 1525 года испанские инженеры проделали бреши в стене Мирабелло, что позволило войскам Ланнуа ворваться в парк. Одновременно Лейва вывел из Павии то, что осталось от гарнизона. В последовавшем четырёхчасовом сражении французская тяжёлая кавалерия, столь хорошо проявившая себя против швейцарцев за 10 лет до этого в сражении при Мариньяно, из-за быстрого продвижения перекрыла линию огня собственной артиллерии, и была уничтожена германскими ландскнехтами и испанскими аркебузирами. Тем временем пехотные стычки заставили швейцарскую и французскую пехоту смешаться. Французы понесли тяжёлые потери, потеряв большую часть своей армии. Гуфье де Бониве, Жак II де Шабанн, Луи II де Ла Тремуйль и Ричард де ла Поль погибли в бою, а Анн де Монморанси, Роберт III де Ла Марк и сам Франциск I вместе с большим количеством менее знатных людей попали в плен. Вскоре Франциску пришлось узнать, что Джон Стюарт потерял большую часть своей армии от лишений и дезертирства, и вернулся во Францию даже не достигнув Неаполя. Разрозненные остатки французских войск (за исключением небольшого гарнизона, оставшегося в миланском Кастелло Сфорцеско) под номинальным командованием Карла IV д’Алансон отступили через Альпы и к марту достигли Лиона.