Caballero sabía que su misión era prácticamente imposible y que la posición en Piribebuy era desfavorable, ya que estaba en una zona baja rodeada de colinas más altas, pero aun así aceptó las órdenes de sus superiores y se preparó para la batalla junto con su segundo al mando, el mayor Hilario Amarilla, quien se encargó de dirigir la artillería.

[6]​ El 12 de agosto de 1869, unos 20.000 aliados llegaron a Piribebuy y la rodearon completamente, luego de eso, mandaron a un emisario para exigir la rendición a Caballero, pero el respondió «Estoy aquí para pelear y morir si es necesario, pero no para rendirme».

Ese mismo día, la batalla comenzó con un fuerte bombardeo aliado sobre toda la ciudad, donde perecieron la mitad de los defensores, luego los aliados asaltaron la ciudad desde todas las direcciones, los paraguayos se resistieron ferozmente con todo lo que tenían a mano y lograron rechazarlos en dos ocasiones, pero debido a su superioridad numérica los aliados terminaron imponiéndose.

Durante la batalla, un joven soldado paraguayo llamado Gervasio León hirió gravemente de un disparo a João Mena Barreto, uno de los comandantes brasileños que terminó muriendo horas después, cosa que enfureció mucho al Conde D'Eu, el comandante de las fuerzas brasileñas.

[7]​[8]​Una vez finalizada la batalla, Caballero fue tomado prisionero, y como castigo por la muerte del comandante Mena Barreto, fue torturado y azotado para que se rinda y suplique por su vida, pero él no pronunció ninguna palabra, lo único que dijo fue «¡Viva el Paraguay!» por lo que el Conde D'Eu lo mandó ejecutar públicamente frente a su esposa y los demás prisioneros paraguayos.