Обнаружив противника, турки быстро убрали паруса и стали строиться в боевой порядок. Особенно внушительный вид имело их левое крыло. Пользуясь его длиной, Улуг-Али хотел охватить линию противника и, когда центр и правое крыло уже выстроились, продолжить медленно продвигаться на юг.
Союзный флот в это время выходил из пролива между островом Оксия и мысом Скрофа, по очереди, начиная с правого крыла. Дориа, шедший в авангарде, так увлекся соревнованием с Улуг-Али, что был даже впереди его, и между правым крылом и центром уже обозначился опасный интервал. При этом восемь галер из отряда Дориа под началом сицилийского капитана Кардона, бывшего перед этим в разведке, сильно отстали. Спешно выходило из пролива левое крыло, а резерв был еще далеко. Отстали также более тихоходные галеасы.
В 11 часов дня, когда уже заняло свое место левое крыло, из пролива показался резерв Круца. Дон-Хуан на шлюпке с поднятым в руке крестом проходил вдоль линии своих судов, воодушевляя экипажи и обещая им от имени папы отпущение грехов.
На союзных галерах отковывали гребцов-христиан и выдавали им оружие, суля свободу в случае победы. Турки же не могли этого сделать, поскольку все гребцы у них были христианами. Галеасы центра и левого крыла выходили вперед. В это время наступил полный штиль, и волнение улеглось.
Вернувшись на свою галеру, Дон-Хуан поднял сигнал о начале боя. Налегая на весла, противники быстро двинулись навстречу друг другу. Огонь галеасов вызвал в турецких рядах некоторое замешательство, но Али-паша вылетел вперед на своей галере, и турецкие суда ринулись за ним, так что тяжелые галеасы остались далеко позади и уже не могли принять участия в первой фазе боя.
Первыми столкнулись крылья, ближайшие к берегу. Из-за незнания местности Барбариго недостаточно близко придержался к отмелям. Этим сразу же воспользовался Сирокко, и галеры правого фланга полным ходом обошли христиан и напали на них с тыла. Другие турецкие галеры прорвались в промежуток между левым крылом и центром христиан. Таким образом Барбариго оказался окруженным со всех сторон.
Но когда начался абордажный бой, преимущество христиан в численности и вооружении дало о себе знать, и победа их на левом фланге к 12 ч. 13 мин. уже была очевидна. В этом бою был смертельно ранен Барбариго.
В центре же к этому времени бой шел в полном разгаре. Особенно жарко было вокруг галер главнокомандующих и их соседей. Здесь у турок были их лучшие галеры и большая часть их лучших войск – янычар. Абордажные партии то врывались на галеру Дон-Хуана, то на галеру Заде-Али. Столпившиеся вокруг них галеры составили как бы один помост, по которому подходили свежие войска то с одной, то с другой стороны. В конце концов и здесь христиане одержали верх. Заде-Али был убит (или покончил с собой, видя, что христиане одолевают). Сопротивление турок слабело, и одну за другой их галеры захватывали союзники.
Победа, казалось, была уже в руках христиан. Но тут, около полудня, Улуг-Али, внезапно повернув с большей частью своего крыла, обрушился на правый фланг центра союзников и совершенно его смял. Но в это время христиане захватили галеру Заде-Али, и Дон-Хуан устремился на помощь к атакованному флангу. Туда же спешил и маркиз Круц с резервом, а с тыла к галерам Улуг-Али приближался Дориа. В такой ситуации Улуг-Али, поняв безнадежность своего положения, вынужден был бежать. Всего с 13 судами он смог уйти в море. Еще 35 турецких судов сумели прорваться к Лепанто.
Победа союзников была полная. 15 мусульманских галер было потоплено, 190 взято в плен, 12 тысяч христианских невольников освобождено. Потери союзников составили около 7,5 тысячи человек убитыми, не считая большого количества убитых гребцов, среди которых только на венецианских галерах было убито 2,5 тысячи человек.
Получив вести о победе у Лепанто, вся Европа пришла в ликование. Повсюду звонили колокола, сверкали фейерверки, знаменитые художники соревновались друг с другом, дабы запечатлеть оную викторию. Последующие четыре века историки будут считать, что победа под Лепанто «спасла христианский мир от порабощения турками».