1571年9月中旬，神聖同盟的聯合艦隊從墨西拿海峽出發，渡海來到希臘海岸，在勒班陀附近展開。他們已知道土耳其人已在那裏調動了艦隊準備戰鬥。10月7日早上，基督教艦隊的監視哨觀察到阿里·巴夏的分艦隊正在進入帕特拉斯灣。 唐·胡安對古老的海戰形式進行了改革，專門安排4艘準時到達的槳帆戰艦行進在分艦隊的前面。當土耳其人的艦隻向前推進時，他們必須繞過這些浮動堡壘。這些在分艦隊前面的先頭艦則可以用舷炮猛擊敵人。
雙方的戰陣靠近以後，火炮就開始射擊。但每艘艦上的前炮僅發射兩至三發，戰鬥就變成了短兵相接的混戰。特別是在中路，雙方使用撞角撞擊，鉤爪鉤住敵船，強行登上對方的艦船，在甲板上進行廝殺。激戰很快波及雙方的旗艦和後援艦隊。土耳其人兩次登上唐·胡安的座艦，但均被從鄰艦趕來的基督教士兵所擊退。在這個緊要關頭，神聖同盟聯軍的後備隊西班牙指揮官桑塔·克魯斯帶領200多名援軍趕到了。他帶領一艘戰艦在土耳其軍艦的翼側來回遊弋，並用火繩槍向敵甲板掃射。這時，聯軍裏的意大利水兵和西班牙水兵，包括唐·胡安自己，勢不可擋地攻上阿里·巴夏座艦，阿里·巴夏被殺，座艦也俘虜。
在戰線的北端。土耳其右翼分艦隊的艦隻在斯奇洛可的指揮下，試圖衝擊基督教聯軍左邊的封鎖，利用他們良好的淺水航行技藝逃向海岸。但是，聯軍的分艦隊指揮巴爾巴里格及時推斷那裏的水道土耳其人可以通過，自己的艦隊也可以通過。因此，他們也向海岸靠近並命令自己的左翼軍隊牢牢地截住了敵軍上岸的通道。同時，巴爾巴里格的右翼軍艦利用敵軍向岸邊蜂擁逃竄的有利形勢，用“口袋陣”包圍了斯奇洛可的左翼，土耳其人只得駛離岸邊。經過一個小時的激烈戰鬥，被包圍的土耳其人終於全部被殲。
在戰線南端，土耳其軍隊企圖包圍聯軍，幾乎取得成功。土耳其分艦隊司令烏魯其·阿里對多里亞指揮的聯軍右翼實施佯攻，多里亞爲避免受到包圍，於是便向南移動，結果在他的分艦隊與聯軍中央艦隊之間形成了一個較寬的缺口。烏魯其·阿里瞅準機會，立即率艦轉向西北前進，衝向缺口，包圍了唐·胡安中央艦隊的右翼。聯軍艦船在烏魯其·阿里的突擊下損失慘重，土耳其人利用這個機會對該地區的基督教艦船進行了可怕的大屠殺。然而此時，唐·胡安的艦隊已接近全勝，因此可以立即派出增援艦向缺口處進行堵擊。多里亞此時也認識到自己的錯誤，準備重新返回戰鬥。桑塔·克魯斯也帶領他的後備分艦隊先於多里亞插入缺口與烏魯其·阿里決戰。烏魯其·阿里招架不住，率艦逃走 。
經4小時激戰，戰鬥在下午結束，帕特拉斯灣被鮮血染成了紅色。奧斯曼帝國艦隊慘敗，阿里·巴夏及3萬名將士戰死，8000人被俘，損失艦船230艘。聯軍艦隊損失將士1.5萬人、艦船13艘。
勒班託海戰後，奧斯曼土耳其海軍遭到毀滅性打擊，本來擁有約三百架戰船的奧斯曼艦隊只剩下約百餘艘戰船，其中很多受到重創。聯軍雖然獲勝，但由於神聖同盟國家互不協調，未能把奧斯曼帝國勢力逐出東地中海。奧斯曼帝國只是暫時的失去了地中海的海上霸權。之後土耳其人只用了一冬季便重建了艦隊，而且艦船數量比戰前還有增加。
勒班託海戰標誌着槳船時代的結束、風帆戰船和艦炮時代的到來。在這次戰役後，人們發現以風帆作動力的戰船更具機動力，更適合用於作戰;此外，他們也發現火器的使用在海上戰爭中愈來愈重要。這使得歐洲的帆船艦隊開始出現改變及發展，更逐漸開發出以火炮爲主力武器的戰術，影響日後海上戰爭的發展。
