Экспедиция покинула Панаму в декабре 1530 года. На побережье Пизарро основал опорный пункт, убив вождя местного племени для острастки. Затем отряд из 168 человек и 62 лошадей двинулся в глубь континента. Трудно было бы представить более удобное время для появления испанцев. Недавняя эпидемия унесла жизни многих высокопоставленных инков, включая самого Великого Инку, Хуайина-Капака и его наследника. Двое оставшихся сыновей, Хуаскар и Атахуалпа, развязали гражданскую войну, не желая уступать друг другу право управлять империей, протянувшейся на тридцать миль через территорию современного Чили, Боливии, Эквадора, Южной Колумбии и собственно Перу. Забираясь все выше в горы, конквистадоры встречали на своем пути разоренные города и трупы индейцев, висевшие на ветках деревьев.
Атахуалпа, контролировавший территорию, на которой высадились испанцы, не был особенно рад сообщениям своих разведчиков о странных чужаках, грабивших деревни. Тем не менее, он послал конквистадорам подарки, приглашая встретиться с ним в Кахамакре. Его армия расположилась лагерем в окрестностях города, и Атахуалпа сообщил посланникам Пизарро, что встретится с их командиром на следующий день на центральной городской площади. Но когда вождь прибыл в назначенное место на носилках, которые несли восемьдесят человек, в сопровождении тысяч безоружных индейцев, конквистадоры спрятались в зданиях, окружавших площадь. Фриар Валверде вместе с переводчиком поспешил к недоумевающему Атахуалпе с крестом и Библией в руках и принялся объяснять ему, в чем состоит его религия. Затем он вручил вождю книгу. Инка заглянул в нее, но не понял, что там написано. Инки не знали письменности. Они поклонялись Солнцу и утверждали, что его изображения говорят с ними. Страницы Библии молчали, и Атахуалпа бросил книгу на землю. Священник пришел в ярость, взывая к отмщению, и Пизарро развязал жестокую, тщательно спланированную бойню. «Испанцы начали стрелять из мушкетов и давить индейцев лошадьми, убивая их, словно муравьев», — рассказывал хроникеру знатный инка Хуаман Пома. Звуки взрывов, звон конской упряжи, удивительный вид нападавших нагоняли ужас на несчастных индейцев. Они в панике бросились бежать, и от их количества стены, окружавшие площадь, не выдержали и стали осыпаться. Массовое уничтожение местных жителей продолжалось два часа, после чего семь тысяч индейцев было убито и многие тысячи покалечены. Все восемьдесят носильщиков Атахуалпы погибли, а сам вождь захвачен в плен. Пизарро нужен был заложник, чтобы гарантировать безопасность себе и своим людям в ожидании подкрепления.
Пленный инка заметил алчный блеск в глазах конквистадоров, грабивших его лагерь, и решил воспользоваться этим наблюдением, чтобы купить себе свободу. Он предложил испанцам наполнить комнату в 22 фута (6,7 м) длиной и 17 футов (5,1 м) шириной сокровищами глубиной 8 футов (2,4 м) один раз золотом и дважды серебром. Пизарро обещал взамен восстановить Атахуалпу у власти в его крепости Квито, если он не будет чинить заговоров против испанцев. Инка рассказал захватчикам, где находятся его храмы и как добраться до его столицы, Куцко. Поисковый отряд возвратился с 285 ламами, навьюченными золотом и серебром из разоренных дворцов, могил и священных мест. Сокровища стали стекаться в лагерь испанцев со всех концов империи инков. Пизарро приказал очистить свои комнаты ото всех посторонних предметов, чтобы увеличить их вместимость. Затем конквистадоры соорудили горн, чтобы переплавлять драгоценные металлы в золотые и серебряные слитки. В конце концов у них получилось 6 тонн двадцатидвухкаратного золота и 12 тонн серебра общей стоимостью около трех миллионов фунтов.
Атахуалпа, уверенный в скором своем освобождении, тайно продолжал вести гражданскую войну. Его войска убили Хуаскара и двух его сводных братьев. Вождь не подозревал, что был всего лишь игрушкой в руках Пизарро. Все его тайные операции умаляли и без того ничтожные шансы империи индейцев противостоять захватчикам. Пизарро не собирался отпускать Великого Инку. Теперь, заполучив сокровища Атахуалпы, он собирался идти завоевывать Куцко вместе с недавно прибывшим подкреплением. Неразумно было брать вождя с собой и всю дорогу опасаться нападения идейцев, мечтавших вызволить его. Слухи о будто бы приближавшейся армии инков, намеревавшейся отбить Ата-хуалпу, послужили для Пизарро необходимым предлогом. Он послал отряд разведчиков проверить достоверность слухов, но прежде, чем они вернулись, Атахуалпа был мертв. 26 июля 1533 года его без суда и следствия признали изменником, привязали к столбу и пригрозили сжечь живьем, если он не перейдет в христианство. Вождь согласился и взял имя Франсиско, в честь Пизарро. Затем он был задушен гарротой.