En el ingreso fue reconocido por el paje Diego de Vargas, quien alertó a Pizarro y a los suyos, pero los almagristas no se arredraron y avanzaron, subiendo la escalera e ingresando al salón.
Pese a ello, Bilbao se sobrepuso y atacó con bríos al marqués, en unión de sus secuaces, y según una fuente, él fue quien le dio la estocada mortal (aunque la versión más aceptada es que el autor de esa estocada fue Juan de Rada).
En los días siguientes se preocupó animosamente en reclutar hombres para el ejército rebelde, extendiéndose su acción a juntar cabalgaduras y armas.
Mientras tanto, en el Cuzco, el capitán general Perálvarez Holguín, al enterase del papel cumplido por Bilbao en el asesinato de Pizarro, lo condenó a muerte y le arrebató sus bienes por traidor a su Rey (30 de agosto de 1541).
Finalizada la batalla, su cadáver fue arrastrado con voz de pregonero y luego descuartizado.