Неудача под стенами Сан-Лоренсо ставила под угрозу срыва всю задуманную акцию по захвату Панамы. Брэдли, посовещавшись со своими людьми, решил в тот же вечер предпринять еще одну отчаянную попытку штурма. То вскакивая на ноги, то припадая к земле, флибустьеры быстро миновали открытое пространство и залегли в овраге под стенами крепости. Здесь они разделили свои силы. Основной отряд во главе с Брэдли должен был штурмовать стену между бастионами Сан-Франсиско и Сан-Хосе, тогда как второму отряду было поручено атаковать бастион Сан-Антонио, находившийся возле выступа скалы, обращенного к морю.
Солнце садилось, и силуэты защитников крепости были четко видны на фоне солнечных лучей. Первыми в атаку пошли гренадеры. Под прикрытием огня из мушкетов они забросили зажигательные бомбы на навес из тростника и пальмовых листьев, защищавший от дождей двойной частокол деревянных стен. Тростник и листья загорелись, осветив солдат гарнизона; одна секция навеса обвалилась за парапет, на склад оружия и пороха; другие секции, объятые пламенем, рухнули на деревянные стены.
Одержать победу над испанцами штурмующим помог случай, ярко описанный Эксквемелином: «Одному из пиратов пробили стрелой плечо (Ян Эрасмус Рейнинг утверждает, что это был Рок Бразилец. —
Между тем огонь разрастался. Как только была прорублена большая брешь, пираты сами стали тушить пламя, засыпая его землей. Часть пиратов принялась тушить пожар, часть пустилась преследовать врага… Около полудня пираты прорвались через брешь, и хотя огонь все еще пылал, губернатор с оставшимися двадцатью пятью солдатами сопротивлялся, причем те, кто уже не мог стрелять из ружей, дрались пиками или кидали в пиратов камни. Однако, несмотря на отчаянное сопротивление, пиратам удалось проникнуть в крепость и овладеть ею. Оставшихся в живых добили без пощады… Губернатор отступил к арсеналу, там стояли еще две пушки. Он решил защищаться до конца и не сдавался, поэтому пиратам пришлось убить его».
Ян Эрасмус, временно возглавивший отряд после серьезного ранения Джозефа Брэдли, водрузил над крепостью свой флаг.
Согласно данным П. Эрла, перелом в ходе сражения случился после того, как в семь часов вечера взорвалась бронзовая пушка, разворотившая часть крепостной стены. Флибустьеры устремились в образовавшуюся брешь, швырнув гранаты на крыши дома коменданта и порохового склада. Пожар и гибель многих людей деморализовали защитников Сан-Лоренсо. Около полуночи примерно 150 солдат покинули крепость, бросившись к реке — там были ошвартованы каноэ, на которых они могли уйти вверх по течению. Оставшиеся полторы сотни солдат во главе с доном Педро де Лисальдо еще пытались удерживать свои позиции возле бреши и на бастионе Сан-Антонио. Они дважды отбивали атаки флибустьеров, ведя огонь из пушек, заряженных картечью. Но во время третьего штурма бастион пал. Дон Педро с лейтенантом, капелланом и горсткой солдат укрылся внутри фортификации, отказавшись сложить оружие и просить пощады. Все они погибли смертью героев. Позже испанская корона выплатила 1000 дукатов родителям дона Педро, поблагодарив их за то, что они воспитали такого храброго сына.