Тем временем имперские военачальники не преминули воспользоваться ошибками французского командования. Из Нарбонна по морю в Италию была срочно переброшена армия Бурбона, поспешившая на помощь осажденным. Узнав об этом, командовавший имперскими войсками в Павии Антонио де Лейва предпринял вылазку в ночь на 24 февраля. Сигналом к атаке послужили три выстрела из пушки. Армия Бурбона ударила французам в тыл. В результате французская армия была деморализована. Месяцы бездействия лишили ее мобильности. Генералы и офицеры давали путаные распоряжения. Возникла неразбериха. К половине девятого сражение было закончено. Французская армия была окружена, а Франциск I попал в плен.
Вице-король Неаполитанского королевства преклонил колена перед плененным французским королем, взял шпагу Франциска I, поцеловал ее эфес и отдал королю свою. В плену оказались также военачальники и придворные Франциска 1: Флеранж, Генрих Наваррский, Монморанси, Брионн, Аннебо, Сен-Поль, Гийом дю Белле, а также папский нунций.
Вначале Франциск 1 в течение нескольких месяцев находился в Италии, а затем из опасений, что французский король станет центром притяжения антигабсбургских интриг, его в июне 1525 г, перевезли в Испанию, в Мадрид, тогда еще маленький город на Кастильском плоскогорье, где он жил в довольно скромной по сравнению с Парижем обстановке вместе со своими придворными и друзьями Монморанси и Ланнуа. В середине сентября 1525 г. Карл охотился неподалеку от Сеговии. Там он получил срочное послание, в котором императора извещали, что его царственный пленник серьезно болен. Карл не на шутку встревожился. Ему вовсе не хотелось, чтобы впоследствии говорили, что Франциск I пал жертвой его злодейства. И он поспешил в Мадрид.
Император застал французского короля лежащим в постели. «Сир, — слабым голосом промолвил Франциск I, — Вы видите перед собой Вашего пленника и раба». Карл поспешил возразить: «Нет, моего доброго брата и истинного друга, которого я считаю свободным». Франциск печально повторил: «Вашего раба». «Моего доброго брата, — промолвил император уже суровым тоном с характерным для него фламандским акцентом, — и друга, который будет свободным. Я ничего так не желаю, как улучшения Вашего здоровья. Думаю только об этом. Остальное придет само, сир, как только Вы этого пожелаете». «Пусть это будет Вашим приказом, — раздался заунывный голос Франциска, — ибо Вы имеете право приказывать. Но, сир, — и тут французский король приподнялся в постели, — я умоляю Вас, избавьте меня от посредников в отношениях между Вами и мной». Это была изумительная сцена с участием двух венценосных актеров, каждый из которых преследовал свои цели: один, притворно изображая покорность, добивался того, чтобы император вел переговоры непосредственно с ним, а другой хотел, чтобы Франциск согласился выполнить его требования как бы добровольно, а не по принуждению. Куртуазная вежливость и актерская игра лежали лишь на поверхности, оформляя эту исключительно сложную психологическую дуэль.
Но французам выбирать не приходилось. Луиза Савойская, ставшая регентшей на время пребывания сына в плену, давала своим послам при императорском дворе инструкции соглашаться на требования императора. Она понимала, что при благоприятном стечении обстоятельств можно отказаться от их выполнения, зато время будет выиграно, тем более что уже летом 1525 г. начались переговоры с Англией о заключении антигабсбургского союза. Однако Франциск I, нередко поступавший в серьезных ситуациях легкомысленно, открыто заявлял, что он не собирается уступать императору свои права на Бургундию.
В конце концов 14 января 1526 г. Франциск I дал рыцарскую клятву никогда не выступать против императора. Впрочем, французский король протестовал против предложенного ему Мадридского соглашения, опасаясь, что его принудят дать команду французским послам подписать его. Он согласился на требования императора относительно Бургундии, Милана, Неаполитанского королевства, Генуи, попытавшись вместе с тем предложить за Бургундию выкуп в три миллиона экю золотом, на что Карл V ответил отказом. Тут нужно заметить, что Франциск I заявил своим приближенным, что не будет и дня соблюдать эту клятву. Мадридский мир так и не был ратифицирован во Франции. Это пример двойной морали, уроки которой французский король получил еще в первые годы своего правления.