Incapacitados de avanzar y severamente presionados, los españoles se retiraron por la noche hacia la ciudad del Cuzco.

Según el canadiense John Hemming esta tomó lugar en el propio pueblo mientras que Jean-Pierre Protzen argumenta que la cercana llanura de Marcabamba está más de acorde con las descripciones del enfrentamiento.

[4]​ Sin embargo, Manco Inca se dio cuenta de que la autoridad real reposaba sobre manos hispanas cuando su casa fue saqueada con impunidad por un motín español en 1535.

[7]​ Los conquistadores fueron severamente presionados pero se las arreglaron para resistir y contraatacar, llegando a asaltar el principal fuerte inca en Sacsayhuamán.

[13]​ La principal arma ofensiva española era la espada de acero, la cual los jinetes suplementaban con la lanza; ambas armas podían fácilmente introducirse en las vestimentas protectoras usadas por los soldados incas.

Tras la revuelta, Manco Inca fortificó las entradas orientales para repeler los ataques de la antigua capital, ahora ocupada por los españoles.

[24]​ Ante estos obstáculos, la expedición española tuvo que cruzar el río muchas veces, a menudo luchando.

Numerosos asaltos españoles a las terrazas fracasaron bajo una lluvia de flechas y hondas lanzados en los dos flancos enemigos.

Se desata el combate con una carga frontal coordinada entre caballería española e infantería indígena por oleadas hacia los andenes del lugar, siendo repelido por una enorme cantidad de piedras y flechas con una puntería mortal.

Para empeorar la situación, un grupo de soldados había pasado inadvertido y los atacó desde un flanco.

La victoria cuzqueña empezaba a tomar forma y el comando español dispuso una retirada pronta antes del anochecer.

El plan de Hernando era sacar a su ejército en orden, pero las medidas tomadas por el comando cuzqueño hicieron que los españoles cayeran en la desesperación, por lo que la retirada se transformó en fuga, los españoles huyeron precipitadamente del campo de batalla, olvidando a sus aliados indígenas en el camino, quienes fueron siendo eliminados por los soldados cuzqueños que los perseguían.

[28]​ Como Almagro había traído refuerzos, el Inca decidió que su posición en Ollantaytambo ya no era segura porque estaba demasiado cerca del Cuzco, y se retiró al este hacia Vitcos.

[29]​ Almagro envió a su lugarteniente Rodrigo Orgóñez en su persecución con 300 españoles y muchos auxiliares indios.

Orgoñez ocupó y saqueó Vitcos en julio de 1537, capturando a numerosos prisioneros, pero Manco Inca logró escapar.

[36]​ Sin embargo, el arquitecto suizo Jean-Pierre Protzen argumenta que la topografía del poblado y su área circundante no concuerda con las descripciones contemporáneas de la batalla.