1571年9月中旬，神圣同盟的联合舰队从墨西拿海峡出发，渡海来到希腊海岸，在勒班陀附近展开。他们已知道土耳其人已在那里调动了舰队准备战斗。10月7日早上，基督教舰队的监视哨观察到阿里·巴夏的分舰队正在进入帕特拉斯湾。 唐·胡安对古老的海战形式进行了改革，专门安排4艘准时到达的桨帆战舰行进在分舰队的前面。当土耳其人的舰只向前推进时，他们必须绕过这些浮动堡垒。这些在分舰队前面的先头舰则可以用舷炮猛击敌人。
双方的战阵靠近以后，火炮就开始射击。但每艘舰上的前炮仅发射两至三发，战斗就变成了短兵相接的混战。特别是在中路，双方使用撞角撞击，钩爪钩住敌船，强行登上对方的舰船，在甲板上进行厮杀。激战很快波及双方的旗舰和后援舰队。土耳其人两次登上唐·胡安的座舰，但均被从邻舰赶来的基督教士兵所击退。在这个紧要关头，神圣同盟联军的后备队西班牙指挥官桑塔·克鲁斯带领200多名援军赶到了。他带领一艘战舰在土耳其军舰的翼侧来回游弋，并用火绳枪向敌甲板扫射。这时，联军里的意大利水兵和西班牙水兵，包括唐·胡安自己，势不可挡地攻上阿里·巴夏座舰，阿里·巴夏被杀，座舰也俘虏。
在战线的北端。土耳其右翼分舰队的舰只在斯奇洛可的指挥下，试图冲击基督教联军左边的封锁，利用他们良好的浅水航行技艺逃向海岸。但是，联军的分舰队指挥巴尔巴里格及时推断那里的水道土耳其人可以通过，自己的舰队也可以通过。因此，他们也向海岸靠近并命令自己的左翼军队牢牢地截住了敌军上岸的通道。同时，巴尔巴里格的右翼军舰利用敌军向岸边蜂拥逃窜的有利形势，用“口袋阵”包围了斯奇洛可的左翼，土耳其人只得驶离岸边。经过一个小时的激烈战斗，被包围的土耳其人终于全部被歼。
在战线南端，土耳其军队企图包围联军，几乎取得成功。土耳其分舰队司令乌鲁其·阿里对多里亚指挥的联军右翼实施佯攻，多里亚为避免受到包围，于是便向南移动，结果在他的分舰队与联军中央舰队之间形成了一个较宽的缺口。乌鲁其·阿里瞅准机会，立即率舰转向西北前进，冲向缺口，包围了唐·胡安中央舰队的右翼。联军舰船在乌鲁其·阿里的突击下损失惨重，土耳其人利用这个机会对该地区的基督教舰船进行了可怕的大屠杀。然而此时，唐·胡安的舰队已接近全胜，因此可以立即派出增援舰向缺口处进行堵击。多里亚此时也认识到自己的错误，准备重新返回战斗。桑塔·克鲁斯也带领他的后备分舰队先于多里亚插入缺口与乌鲁其·阿里决战。乌鲁其·阿里招架不住，率舰逃走 。
经4小时激战，战斗在下午结束，帕特拉斯湾被鲜血染成了红色。奥斯曼帝国舰队惨败，阿里·巴夏及3万名将士战死，8000人被俘，损失舰船230艘。联军舰队损失将士1.5万人、舰船13艘。
勒班托海战后，奥斯曼土耳其海军遭到毁灭性打击，本来拥有约三百架战船的奥斯曼舰队只剩下约百余艘战船，其中很多受到重创。联军虽然获胜，但由于神圣同盟国家互不协调，未能把奥斯曼帝国势力逐出东地中海。奥斯曼帝国只是暂时的失去了地中海的海上霸权。之后土耳其人只用了一冬季便重建了舰队，而且舰船数量比战前还有增加。
勒班托海战标志着桨船时代的结束、风帆战船和舰炮时代的到来。在这次战役后，人们发现以风帆作动力的战船更具机动力，更适合用于作战;此外，他们也发现火器的使用在海上战争中愈来愈重要。这使得欧洲的帆船舰队开始出现改变及发展，更逐渐开发出以火炮为主力武器的战术，影响日后海上战争的发展。