Основное сражение развернулось в центре, где флагманские корабли двух главнокомандующих «Ла Реаль» и «Султана» устремились в лобовую атаку. Они столкнулись с такой силой, что носовую часть «Султаны» заклинило в носовой оснастке «Ла Реали», соединив два корабля воедино и превратив в центральное поле боя с венецианским и папским флагманами по обе стороны. Сражение продолжалось два часа — противники оказались достойными друг друга — между аркебузирами христиан и янычарами, вооруженными аркебузами и луками. Когда требовалось, с соседних галер и галеонов на борт поднималось подкрепление. Постепенно перевес оказался на стороне христиан, благодаря превосходству в артиллерии и недостаточной защите турецких кораблей от абордажных партий. Дон Хуан, после того как его люди были дважды отброшены янычарами, лично повел их на абордаж «Султаны», которую храбро защищал Али-паша со своими людьми. В последовавшей схватке пуля попала паше в лоб, и он упал замертво на сходни. Его голова была отрублена и представлена дону Хуану, который, говорят, выразил недовольство, поскольку уважал своего противника. Тем не менее голова врага была помещена на мачту его флагманского корабля.

Османский флагман был взят на абордаж и захвачен, и отчаянная попытка отбить его не удалась. Центр турок был прорван. На турецких галерах гребцы-рабы христианского происхождения вырвались на свободу и захватывали оружие, чтобы повернуть его против своих поработителей. После трехчасовой ожесточенной борьбы морское сражение при Лепанто было выиграно христианами. Основная масса османского флота — 230 галер — была потоплена или захвачена. Христиане потеряли не более 15 галер и вдвое меньше людей, чем турки, но многие из них принадлежали к цвету испанской и итальянской знати. Среди сражавшихся испанцев находился Сервантес, который во время нападения на флагманский корабль «Сирокко» получил рану, навсегда искалечившую его левую руку. Позже он так написал о себе: «Хотя она выглядит уродливо, он считает ее красивой, потому что он получил ее при наиболее памятном и величественном событии, которое могли видеть прошедшие века — и никогда не увидят века грядущие».

Тем не менее турки на левом фланге своей линии выстояли и продолжили сражение на следующий день. Здесь корсар Улудж Али, умелый тактик, осуществил маневр, позволивший ему сначала повернуть правый фланг противника — а им был Джованни Андреа Дориа, племянник прославленного адмирала, который двинулся к югу, чтобы избежать столкновения с противником. Затем, пока на севере шло главное сражение, он воспользовался образовавшимся в линии христиан разрывом, чтобы прорваться сквозь нее и выйти в тыл дону Хуану. Здесь Улудж Али сначала попытались задержать галеры рыцарей-иоаннитов, на которых его алжирцы набросились с убийственной готовностью. Затем они повернули против вспомогательного отряда сицилийских галер, чтобы захватить и поднять их знамя на мальтийском флагмане. Жестокий бой продолжался до тех пор, пока Дориа не поспешил к северу, чтобы соединиться с более сильным резервным отрядом. Заметив это, проницательный корсар понял, что главное сражение проиграно, бежал в сумерках с сорока галерами, которые, ко всеобщему позору Дориа, сумели уцелеть и сгладить впечатление от поражения турок. Но, как бы то ни было, это была победа христиан, которая, как писал Сервантес в «Дон-Кихоте», осталась в памяти как «самый счастливый для христианского мира день, когда все нации освободились от своего заблуждения — веры в непобедимость турок».

Европа восторженно откликнулась на известие о победе. Папа Пий V, благодаря Божественному промыслу, получил эту весть в минуту гибели Али-паши и преклонил колени перед распятием, чтобы вознести за это благодарность Небесам. После этого, восседая на папском троне, он встретил вестника победы надлежащими словами из Евангелия: «Был человек, посланный от Бога, имя ему было Иоанн».

Венеция, первой получившая эту весть, погрузилась во власть безумной радости и облегчения, когда из лагуны возникла галера перед толпами на площади Святого Марка, салютуя орудийными залпами и волоча за кормой опущенные в воду турецкие знамена, с командой на полуюте, щеголявшей в турецких одеждах, снятых с убитых в бою. Испанию накрыло волной восторга по случаю столь великолепного завершения, не без содействия испанцев, запоздалого Крестового похода против «неверного Турка». Французский король Карл IX распорядился исполнить Те Deum и устроить пышные празднества по случаю поражения его союзника — турка. Даже в далекой Англии победа была отмечена фейерверками, проповедями и грандиозным перезвоном колоколов церкви Сент-Мартина-ин-зе-Филдс в благодарность за «свержение Турка». А юный король Яков VI Шотландский внес свой вклад в торжества по этому случаю в виде нескольких тысяч строк неумелых стишков. На много веков вперед героическая битва при Лепанто стала легендой. Триумф христиан изображали художники, воспевали поэты, исполнители народных песен и баллад. Люди славили дона Хуана и тех, кто уничтожил турецкого захватчика.

Пока Европа праздновала победу, в османской столице царило уныние из-за первого решающего поражения. Такой была первая реакция турок на потерю флота и унижение армии при Лепанто. Султан Селим провел три дня в посте и молитве, прося Бога пожалеть его народ. Затем в ответ на народные беспорядки он приказал убить всех испанцев и венецианцев в его владениях. Этот приказ не был исполнен благодаря Мехмеду Соколлу, который направил своего господина в более конструктивное русло.

К концу года Улудж Али с гордостью вошел в Золотой Рог с флотом из примерно восьмидесяти кораблей, состоявшим наполовину из эскадры, с которой он покинул место сражения, и наполовину собранным из турецких галер, стоявших в разных портах Восточного Средиземноморья. По настоянию Соколлу он был повышен в звании до главного адмирала (капудан-паша) вместо Мухсинзаде-Али, павшего в сражении. Его имя было изменено лично султаном с Улудж на Кылыч, означающее «Меч». Затем в сотрудничестве с ветераном Пиалепашой и при поддержке Селима, который лично внес средства и уступил часть своего сада в Серале под судоверфь, он трудился всю зиму, строя новый флот взамен старого.

И к весне 1572 года, спустя немногим более чем шесть месяцев после сражения при Лепанто, новый османский флот, состоявший из почти 250 кораблей и включавший восемь больших современных галеасов, был готов снова утверждать силу турецкого оружия на море. Это было большое достижение в области судостроения, сравниться с которым в то время не могло ни одно христианское государство. Появление флота у Кипра в 1572 году ошеломило союзников-христиан и заставило их отказаться от попыток вернуть остров. Затем османы проследовали в греческие воды, продемонстрировав флаг возродившейся морской державы, и зашли так далеко, что стали угрожать острову Крит. Но все же на этом этапе турки не вступили в прямое столкновение с врагами. Христиане, со своей стороны, хотя их флот все еще был более значительным, чем флот турок, не смогли вызвать Кылыч Али на бой и изгнать его из прибрежных вод Ионического моря.

Данная ситуация ускорила мирный договор, по которому Венеция официально уступила Кипр, готовая поступить подобным образом, поскольку сильная партия мира настаивала на возобновлении торговли с османскими территориями. Когда венецианский министр в Стамбуле впервые зондировал позицию великого визиря относительно перспектив урегулирования, Соколлу ответил: «Имеется большая разница между вашей потерей и нашей. Отвоевав у вас Кипр, мы отрубили одну из ваших рук; нанеся поражение нашему флоту, вы всего-навсего сбрили нашу бороду; отрубленная рука снова не отрастет, но сбритая борода вырастет более густой, чем была раньше».