В ночь на 23 февраля 1525 года Бурбон со своими немцами, Пескара со своими испанцами и Ланнуа с итальянскими войсками выступили вперёд, решив либо овладеть парком Мирабелло возле Павии и таким образом перебросить в город подкрепление, либо вынудить короля вступить в бой. Нападение врага сначала было отбито французами. Окружённый своими храбрыми дворянами и находившийся под влиянием адмирала Бонниве, к советам которого Франциск прислушивался больше, чем к советам опытных военачальников, он проявлял чудеса доблести. Солдаты императора в замешательстве отступили из Мирабелло, в то время как французская артиллерия выкашивала их ряды и сеяла страшный хаос. Преимущество было явно на стороне французов и враг был отброшен с большими потерями от Павии. Опьянённый предполагаемой победой, Франциск по совету своего любимца оставил свои укрепления и начал преследовать врага на открытой местности. Это было именно то, чего желали имперские военачальники. Их войска приостановили отступление, сплотились и снова выстроились в необходимом порядке. Вскоре завязалась битва. Командование правым крылом Франциск поручил маршалу де ла Палису, а левым — герцогу Алансонскому, в то время как сам король командовал центром.
Облачённый в тунику, сверкающую гербовыми золотыми лилиями, и шлем, украшенный великолепным белыми плюмажем, Франциск I ехал верхом в окружении своей доблестной охраны. Битва была кровавой и упорной: сначала преимущество, как и прежде, было на стороне французов, но маркиз дель Гуасто, племянник Пескары, собрав остатки сил, отбитых при Мирабелло, присоединился к Лейве, который, видя, что императорская армия отступает, предпринял энергичную вылазку из Павии во главе своего храброго гарнизона в тыл французской армии.
Атаки Пескары и Бурбона были, в основном, направлены в центр, которым командовал лично король, и на правое крыло. Снова и снова храбрый де ла Палис отражал атаки врага. Наконец, его войска, обескураженные этими повторяющимися атаками, в замешательстве бежали. Вскоре после этого сам маршал был застрелен испанским капитаном по имени Бузарто. Тем временем хитрость, придуманная Пескарой, доселе неизвестная в военной тактике, вызвала замешательство и смятение в рядах французов. Маркиз отобрал полторы тысячи баскских арбалетчиков, прославившихся своим мастерством в обращении с этим оружием. По его сигналу сомкнутые ряды испанской пехоты расступились, и эти лучники небольшими отрядами выступили вперёд, приблизились к французской кавалерии, выровнялись, выпустили свои стрелы и снова отступили с поразительной быстротой. Затем, проворные, гибкие и худощавые, эти лучники бросились на землю и, скользя, как змеи, между рядами, не опасаясь быть затоптанными насмерть лошадьми кавалерии, выискивали французских командиров, метко стреляли в них и исчезали с поразительной ловкостью, только чтобы появиться снова и посеять ужас и смятение на других участках боя.
Именно в этот опасный момент Карл Алансонский должен был повести левое крыло армии на помощь королю. Если бы он перехватил и уничтожил грозный отряд лучников и спас кавалерию, судьба сражения могла бы измениться. Однако, сбитый с толку неразберихой и разгромом центра, муж Маргариты предпочёл подать сигнал к отступлению. Напрасно его офицеры протестовали: герцог гневно отверг их совет. Тогда большинство офицеров покинули его и под знамёнами Флёранжа и других маршалов храбро пробились сквозь ряды вражеской кавалерии на сторону короля, в то время как зять Франциска малодушно отступил. Менее чем за час французская кавалерия была практически обращена в бегство, главным образом в результате убийственных атак баскских лучников.
Тем временем король, весь в крови из-за раны на лице, сражался с отчаянной отвагой. Остатки французской кавалерии держались стойко, возможно, если бы им тогда была оказана помощь, бой мог быть выигран. Однако бегство герцога Алансонского с арьергардом привело войска в уныние, и едва затихло эхо труб, возвещавших об его отступлении, как враг объявил о своей победе. Тем не менее, кавалерия оставалась верна своему королю и собралась вокруг, чтобы защитить его от нападения дель Гуасто и Лейвы, и только когда предатель Бурбон повёл свои грозные отряды в атаку, позор французов был завершён пленением Франциска I.