El 2 de mayo de 1866, a las 10:00 la escuadra española, que se hallaba fondeada en la isla de San Lorenzo, comenzó a levar anclas para marchar en dirección a El Callao. El buque insignia, la "Numancia", encabezaba una formación en V, sirviendo además de protección (por ser el único blindado) para los demás barcos. Desde una perspectiva técnica esta formación no pudo haber sido peor dado que, según diversos autores[9] ,[14] el ataque hubiera sido más efectivo si tomando a las baterías del sur entre dos fuegos incluyendo por retaguardia se hubiera bombardeado luego la población para finalmente lanzarse sobre las defensas del norte, por una cuestión de honor militar la intención del almirante español era atacar las baterías de frente.
A las 11:30 la "Numancia" largó la señal de zafarrancho de combate. La escuadra se dividió en dos grupos. El primero (I División), compuesto por la "Numancia", la "Blanca" y la "Resolución" se dirigió hacia las defensas de la zona sur. El segundo, compuesto por la "Berenguela" y la "Villa de Madrid" (II División) y por la "Almansa" y la "Vencedora" (III División), se dirigió hacia el norte. La II División debía atacar las defensas de la zona norte y la III debía enfrentarse con la flota peruana y bombardear el muelle y la población.
A las 11:50 la "Numancia" comenzó el bombardeo, siguiéndola a continación la "Blanca" y la "Resolución". Al tercer disparo del buque insignia español, los cañones de la Torre de La Merced respondieron al ataque. Esto es debido a la actitud de José Gálvez, ministro de la Guerra quien no permitió a los artilleros disparar hasta que no lo hicieran los españoles. Al preguntarle el porqué, respondió: «Justifiquemos nuestra causa». A continuación todas las baterías de la zona sur abrieron fuego, mientras el ministro gritaba «Españoles aquí os devolvemos el tratado del 27 de enero». Este hecho hizo perder a las defensas del sur la iniciativa estratégica. Ningún disparo peruano hizo blanco. Por lo que hubo que recalibrar los cañones. Esta pérdida de tiempo (los grandes cañones tenían una cadencia de fuego de entre veinte y veinticuatro minutos) se podría haber evitado si la artillería peruana hubiera comenzado a disparar mientras los buques españoles tomaban posiciones (momento en el que se encontraban prácticamente indefensos). Esto no pasó así en el frente norte, donde las baterías peruanas sí aprovecharon esos momentos críticos para abrir fuego.
Al poco de comenzar el combate el "Cañón del Pueblo", un Blakely de 500 libras, tras realizar su primer disparo descarriló por el retroceso, quedando inservible durante todo el combate.
A las 12:10 el vapor "Tumbes" comenzó a salir del muelle con la intención de hacer volar su torpedo de botalón contra un buque español. Los disparos de la "Numancia" y la "Almansa" le hicieron retroceder y guarecerse de nuevo en el puerto.
A las 12:30 la "Berenguela" llegó a su posición, rompió fuego contra las defensas del norte y fue respondida desde las baterías peruanas.
Algo más tarde de las 12:30 un disparo probablemente procedente del monitor "Loa" fue a parar a la barandilla del puente de la "Numancia", donde se encontraban el Capitán de Navío Juan Bautista Antequera y Bobadilla, Comandante del buque, y Casto Méndez Núñez, Comandante General de la Escuadra. La bala produjo ocho heridas de cierta gravedad a Méndez Núñez, que exclamó: «Me han llevado el brazo». A pesar de las insistencias de los oficiales, el Comandante General se negó a retirarse al hospital de sangre, hasta que finalmente se desplomó por la pérdida de sangre. Antes de que se lo llevarán del puente ordenó que no se arriara su pabellón para no desanimar a las tropas.
Entre las 12:45 y las 13:00, la "Villa de Madrid" llegó a su destino y paró las máquinas para colocarse en posición de combate. Mientras maniobraba, un certero disparo procedente de la Torre "Junín" cayó sobre ella, destrozando su tubo de conducción de vapor, matando a 13 hombres e hiriendo a 22. La bala dejó inmovilizada a la fragata. La "Almansa" comenzó a maniobrar para socorrer a la "Villa de Madrid", pero al ver que la más ágil "Vencedora" ya iba en su ayuda, continuó con el combate. Mientras era remolcada fuera del combate, la fragata llegó a efecuar 200 disparos.
Pasadas las 12:45 la Torre "Junín" cesó de hacer fuego.
A las 13:00 una granada, muy probablemente disparada desde la "Blanca", cayó sobre los saquetes de pólvora de uno de los cañones de la Torre de La Merced. Al reventar hizo saltar por los aires la torre, pereciendo 41 hombres, entre ellos el ministro José Gálvez, el ingeniero colombiano Cornelio Borda, el jefe de la torre, Coronel Enrique Montes, el Capitán de Artillería chileno Juan Salcedo y el Coronel Toribio Zavala, hermano de Juan de Zavala, ministro de Marina de España. Después de la explosión, la "Resolución" se separó de la I División y se dirigió hacia el muelle para apoyar a la III División. Tras bombardear la población y la flota peruana durante un largo espacio de tiempo, regresaría a su posición original para cañonear el fuerte Santa Rosa.
Sobre las 13:00 la "Berenguela" que luchaba en solitario contra las defensas del norte (la "Villa de Madrid" había tenido que abandonar el combate), recibió una bala de 500 libras, proveniente del Fuerte "Ayacucho", la que impactó bajo la línea de flotación abriendo un boquete de 14 pies de largo por 4 de ancho. Poco después, un nuevo disparo del "Ayacucho" atravesó el costado del barco, provocando un incendio en el departamento contiguo al pañol de la pólvora. Mientras se intentaba taponar la vía de agua con colchones, coys y otros materiales, se trasladaron todos los cañones a babor, se desaguaron los aljibe de estribor y se pusieron en funcionamiento todas las bombas. Al tiempo, se trataba de extinguir el incendio. Finalmente, se logró contener el agua y apagar el fuego. El buque, ladeado, se retiró del combate. Al pasar frente a la corbeta británica "Shearwater", su comandante les ofreció ayuda y gritó: «¡Valiente "Berenguela", aquí estoy yo para recogeros!», a lo que el comandante del barco español, Manuel de la Pezuela y Lobo respondió: «De nada necesito», y continuó hacia el fondeadero. Con dos fragatas imposibilitadas de seguir combatiendo, la II División de la Escuadra había sido rechazada por las defensas peruanas.
A las 13:30 la "Vencedora" regresó de nuevo al combate tras poner a salvo a la "Villa de Madrid". Tras colocarse en su posición continuó con el bombardeo sobre las defensas del norte, los buques peruanos y la población.
A las 14:30 una enorme granada explotó en la batería de la "Almansa", provocando la inflamación de los guardacartuchos. El incendio se propagó por el sollado hasta llegar al antepañol de la pólvora. El Comandante de la fragata, Victoriano Sánchez Barcáiztegui, tras recibir tres partes en los que se solicitaba anegar el pañol para que la pólvora no explotara, exclamó: «Yo hoy no mojo la pólvora, volaremos antes». Mientras el buque seguía disparando sus cañones, el Comandante ordenó izar la señal de "fuego a bordo" y separarse de la cercana "Numancia", para evitar así que le afectara la posible explosión de su barco. Una vez que se consiguió sofocar el fuego, la "Almansa" volvió a su posición original, reanudando el cañoneo a las 15:00 sobre el fuerte Santa Rosa, la flota peruana y la población.
A las 14:30 una bala procedente del fuerte Santa Rosa cayó sobre la "Blanca", destrozando el almacén de agua y causando la muerte a 8 hombres. Entre los heridos se encontraba el Comandante del buque, Juan Bautista Topete, que regresó curado diez minutos después. Al poco la munición se agotó, por lo que el Comandante decidió retirarse del frente. Tras dirigirse hacia la "Berenguela" y comprobar que no precisaba ayuda, volvió hacia el frente, colocándose entre el fuerte Santa Rosa y la población. A las 15:30 se agotaron definitivamente todas las balas y los cohetes incendiarios. Entonces, el buque se colocó entre la I y la III División para prestarles auxilio en caso de necesitar ayuda.
A las 15:40 la "Vencedora" trató de disparar cohetes incendiarios sobre el puerto y la población, pero al reventar el disparador, tuvo que volver a usar los cañones.
A las 16:00 únicamente tres cañones del fuerte Santa Rosa responden desde tierra al fuego español (según fuentes españolas eran los únicos que lo hacían).
A las 16:45 la escuadra española decide dar por finalizado el combate. A las 17:00 se da la orden de finalizar el bombardeo. A las 17:30 la "Almansa" detiene el cañoneo. Tras dar tres vivas a la Reina, la "Numancia", la "Blanca", la "Resolución", la "Almansa" y la "Vencedora" salieron de la rada del Callao y se dirigieron al fondeadero, donde esperaban el resto de barcos.
Sobre las 17:50, cuando la escuadra ya estaba cercana a la isla de San Lorenzo, los tres cañones del fuerte Santa Rosa que aún respondían al fuego español, efectuaron sus últimos disparos. Según el parte dado por Méndez Núñez estos se realizaron sin bala.
El último disparo lo efectuó el monitor peruano "Victoria". A las 18:00 la Escuadra llegó al fondeadero.
A las cuatro y media de la tarde solo tres cañones contestaban a nuestro fuego de las tres fragatas más nutrido que nunca. La población destrozada y viendo que ya no había nada que hacer pues los enemigos se callaron, hicimos alto al fuego... soltó la batería enemiga (Santa Rosa) tres o cuatro tiros que fueron los últimos de la batalla, mas por arrogancia que por reto, y con esto quedó terminada la función...
Carta del teniente de navio de la fragata Numancia, José Emilio Pardo de Figueroa, 8 de mayo de 1866
Los peruanos vivaban y seguian tirando con furia contra el resto del enemigo que era la "Numancia", "Blanca" y "Resolución", las que tuvieron cuidado de mantenerse a una respetuosa distancia porque el fuego era muy nutrido en las baterías. Sin embargo a las cinco de la tarde pasó la "Numancia" cerca de nosotros en retirada y le vimos grandes huracones por proa contandole nueve balazos... El monitor peruano (Victoria) fue el ultimo que tiró mientras que la escuadra española se retiraba... y mientras los peruanos vivaban desde tierra
