Для предотвращения деблокады Павии Франциск построил циркумвалационную линию, северным участком которой стала стена Охотничьего парка, примыкавшего к Павии. Лагерь французского войска был разбит восточнее города на направлении ожидавшегося наступления армии Пескары. К западу от Павии остался только арьергард герцога Алансонского.
Пескара сделал вид, что собирается прорываться на восточном участке циркумвалационной линии, и разбил здесь свой лагерь. В действительности же он решил попытать счастья в районе Охотничьего парка, где местность — холмистый луг, поросший кустарником, — была неудобна для действий больших масс войск. В ночь с 23 на 24 февраля испанцы пробили три бреши в кирпичной стене и устремились в парк. Авангард составляли 3 тысячи испанских мушкетеров, за ним шла кавалерия, а за кавалерией — ландскнехты.
Лишь на рассвете Франциск узнал о движении неприятеля и поднял свои войска по тревоге. Он лично возглавил передовой отряд жандармской конницы, усиленный артиллерией. Сначала жандармам удалось потеснить испанскую конницу. Но мушкетеры, укрываясь в кустах, прицельным огнем остановили французскую кавалерию. Нижнегерманские ландскнехты были разгромлены и в беспорядке бежали. Только после этого к месту боя прибыла швейцарская пехота, с которой сразилась теперь уже вся испанская армия. В тыл швейцарцам ударил гарнизон Павии. Они были разгромлены и бежали.
Арьергард французов, узнав о поражении главных сил, не стал ввязываться в сражение. Герцог Алансонский приказал отступать за реку Тичино и взорвать за собой мост. Остатки французской армии, находившиеся к востоку от Павии, не успели переправиться и вместе с королем Франциском попали в плен. Поражение французов было предопределено внезапностью неприятельской атаки, а также тем, что французские войска вступали в бой по частям.
После разгрома у Павии Франция сблизилась с немецкими протестантскими княжествами и Османской империей. Письмо Франциска I к султану Сулейману I Великолепному с предложением союза для борьбы с Габсбургами стало поводом для вторжения турецких войск в Венгрию. В 1526 г. у Мохача они разбили венгерское войско, усиленное имперскими отрядами, а в 1529 г. появились под Веной. Эти события заставили Карла V отозвать часть войск из Италии и отказаться от планов вторжения во Францию.
Вернувшись из плена, Франциск отказался подтвердить заключенный в Мадриде в 1526 г. мир, согласно которому Франция признавала испанскую гегемонию в Италии, Фландрии и Артуа, уступая Бургундию императору. Франция присоединилась к новой антигабсбургской коалиции, теперь организованной уже Римским Папой под лозунгом освобождения Италии от испанцев. В коалицию вошли также Венеция, Флоренция, Милан и Англия.