Дю Клерк начал давно ожидавшееся наступление на город утром 19 сентября. Несмотря на подавляющее превосходство в численности войск, два регулярных полка бездействовали в течение целого дня, не получив никакого приказа от губернатора. Если не считать того, что отряд солдат начал в спешке возводить земляные укрепления в том месте, которое французы и не собирались атаковать. Один из полковых командиров был настолько стар и немощен, что садился в седло только с помощью скамьи, которую держали его офицеры. Неадекватные действия губернатора могут быть отчасти объяснены сомнительными профессиональными качествами его командиров. Тем временем дю Клерк лично вел своих людей, пробиваясь с боями в центр города, пока не был остановлен в районе набережной отрядами милиции и негров-рабов. Среди защитников отличились далеко не безупречные личности Бенту ду Амарал Коутинью и брат Франсишку де Менезеш, которые возглавили оборонявшихся и своим поведением отчасти искупили бездеятельность губернатора. Храбрые учащиеся иезуитского колледжа тоже отличились в обороне губернаторского дворца, которая стала поворотной точкой в боевых действиях. Иезуитские учителя поддерживали и вдохновляли своих учеников и звонили в колокола в критические моменты сражения. Их поведение было полной противоположностью поведения остальных монахов, «которые все бежали с епископом».
Только после того, как французы были остановлены милицией, учащимися и неграми-рабами, запоздало, но эффективно вмешались регулярные части, ударив противнику во фланг и тыл. Потеряв почти половину бойцов, дю Клерк пробился к зданию портового склада с прочными стенами, рядом с которым стояли шесть пушек. Здесь он надеялся продержаться, пока ему не придут с кораблей на помощь. Португальцы не решились сразу атаковать это импровизированное укрепление, так как там еще до того, как его захватили французы, укрылись шестьдесят женщин и детей. Однако с наступлением ночи появившийся запоздало губернатор решил, что нельзя позволить захватчикам укрепить свои позиции. Пушечные ядра оказались неэффективными против толстенных стен, и осаждающие начали готовиться к подрыву здания при помощи бочек с порохом. Видя безнадежность дальнейшего сопротивления, дю Клерк запросил переговоров. Губернатор обещал сохранить французам жизнь, если они сдадутся. Тогда «они сложили оружие и флаги как раз перед чтением вечерней молитвы, и эту победу приветствовал звон церковных колоколов».
Защитники города не щадили врага во время ожесточенных уличных столкновений, и из 600 остававшихся в живых французов более половины получили ранения, многие – тяжелые. Единственным человеком, кто смог убежать, добраться до кораблей, стоявших на якоре у Гуаратиба, и рассказать о произошедшей катастрофе, был один из рабов Бенту ду Амаралу. Трое других были пойманы, подверглись пыткам и были казнены победителями. Потерям португальцев давали самую разную оценку, наиболее достоверная цифра равнялась 270 убитым и раненым. Среди погибших был полковник Грегориу Кастро де Морайс, брат губернатора, бывший кадровым офицером, проявившим небывалое мужество и инициативу. Получив смертельное ранение, он призвал своих людей идти в атаку, воскликнув, умирая: «Один человек – это не потеря!» Дю Клерк и некоторые его офицеры стали пленниками в иезуитской миссии, другие офицеры были заключены во францисканском монастыре, а французские солдаты частью оказались в городской тюрьме, а частью – под замком в одном из складских помещений.
На следующий день три французских корабля вышли из гавани, а двумя днями позже произошла короткая артиллерийская дуэль между ними и фортом Санта-Круш. Дю Клерк получил разрешение от губернатора отправить послание о мире к французам на корабли с просьбой прислать одежду и врачей для него и его людей. Что и было сделано после того, как корабли снова объединились в одну флотилию, бросив якорь у Гуаратиба и Илья-Гранди. Два самых малых судна были переданы португальцам с просьбой об их продаже, чтобы на вырученные деньги можно было содержать французских пленных. 15 октября остальные корабли ушли на Мартинику.