A primera hora del día 5 de abril se instalaron las fuerzas sobre los cerrillos del sector denominado justamente Cerrillos, donde produjo el enfrentamiento en las hondonadas hoy ocupadas por la circunvalación Américo Vespucio.

[12]​ Envió las fuerzas atacando el centro y la derecha de los españoles, mientras que Juan Gregorio de Las Heras comandó el ataque por las fuerzas colocadas en otro cerro, allí los patriotas tomaron un cerro, amenazando la izquierda realista.

[13]​ En el flanco izquierdo, Las Heras y sus hombres junto con un grupo del Regimiento de Granaderos a Caballo –unidad creada por San Martín– tomaron la posición española en el cerro a su izquierda, cuyos defensores (realistas) se replegaron al centro del otro cerro donde todavía se encarnizaban duros combates.

Osorio, creyéndolo todo perdido se retiró con su caballería buscando salvar su vida.

Así, la mayor parte del ejército patriota subió al llano donde sólo quedaban los 4 batallones españoles, Burgos, Arequipa, Concepción e Infante Don Carlos (Real de Lima), rodeados por todas partes.

Los cazadores a caballo fueron rechazados, pero al formar el cuadro se convirtieron en un blanco más fácil para los fusiles de los infantes enemigos.

[13]​ La artillería se acercaba, ya a corta distancia, y la metralla finalmente rompió las filas, pero era inútil, porque no rompieron su formación y lentamente se fueron retirando del campo de batalla, hostigados por todas partes.

[15]​ San Martín no quiso poner en peligro a más hombres, por lo que ordenó concentrar la artillería.

[3]​ Ordóñez y Primo de Rivera se rindieron; la batalla había terminado.

Militarmente se considera un ejemplo de estrategia y táctica por el aprovechamiento que se dio de los movimientos previos y posteriores a la batalla, el excelente empleo que se dio a las armas, y el uso de la reserva para atacar al enemigo por su punto más débil.

La batalla misma es comparada por sus consecuencias con las que tuvieron los triunfos patriotas en Boyacá (de manera inmediata) y Ayacucho (a largo plazo).

Maipú pasó a ser considerada la precursora de las futuras victorias patriotas en las siguientes campañas.