Установленный папой порядок обсуждения делал невозможной какую-либо серьезную дискуссию. К открытию собора семь куриальных комиссий разработали 87 схем (проектов декретов), которые затем надлежало обсудить в четырех соборных комиссиях. Однако в состав комиссий не были включены члены оппозиции; таким образом, им пришлось выступать против мнения комиссии на совместных публичных заседаниях. Оппозицию ограничили также и тем, что им предоставляли очень мало времени для выступлений.
Собор начался с обсуждения шести схем (о вере, две схемы о епископах, о духовенстве, о катехизисе, о церкви). Однако схемы были плохо подготовлены и разработаны. 24 апреля 1870 года собор принял первую догматическую конституцию (Dei Filius) о католической вере. В ней в противовес «заблуждениям эпохи» было сформулировано в духе Тридентского собора аутентичное учение о вере, Боге, о божественном откровении. Одновременно подверглись осуждению атеизм, материализм, пантеизм, рационализм, онтологизм и впервые — традиционализм.
На соборе при обсуждении схемы о церкви произошел раскол. В начале января 1870 года по инициативе английского архиепископа Мэннинга на одном из ночных заседаний 400 епископов внесли предложение включить в схему тезис о непогрешимости папы и обсудить его вне очереди. Вокруг этого вопроса развернулась острая дискуссия. Большинство оппозиционно настроенных епископов и здесь посчитало несвоевременным из тактических соображений объявить догмат, но некоторые из них действительно не верили в личную непогрешимость папы.
От принятия догмата о непогрешимости папы устранились в первую очередь епископы Германии и Центральной Европы. (Из присутствовавших на соборе 20 немецких епископов — 15, а из венгерского епископского корпуса все за исключением двух были против догмата.) Во главе оппозиции стояли архиепископ Венский Раушер, архиепископ Пражский Шварценберг и архиепископ Эстергомский Шимор, однако фактическими вдохновителями были епископ Орлеанский и архиепископ Калочайский Лайош Хайнальд, а также епископ Диаковарский Штроссмайер. Тактика оппозиции заключалась в том, чтобы снять с повестки дня обсуждение вопроса о догмате.
Однако 6 марта 1870 года Пий IX представил догмат на обсуждение. Публичная дискуссия началась 29 апреля 1870 года. Тогда оппозиция выразила свое отрицательное отношение как в письменном виде, так и устно. Епископ Роттенбургский Хефеле изложил церковно-исторические, архиепископ Венский Раушер — теологические и архиепископ Майнцский Кеттелер — практические соображения и опасения. Папа, игнорируя мнение меньшинства, несмотря на протест более 100 епископов, 13 января 1870 года своей властью прекратил дискуссию. Во время голосования, проходившего на первом закрытом заседании, за догмат проголосовало 451, против — 88, положительно, но с оговорками — 62. Большинство не пошло на компромисс с точкой зрения меньшинства. Хефеле предложил и на открытом заседании продемонстрировать особое мнение и проголосовать против. Во избежание скандала и в надежде, что таким образом решение не станет вселенским, перед последним голосованием активная оппозиция (57 епископов, главным образом из Германии и Австро-Венгрии) покинула Рим. 18 июля 1870 года на открытом голосовании 533 голосами против двух собор принял догмат о непогрешимости папы. Пий сразу же утвердил решение и торжественно огласил его в конституции «Pastor aeternus».