Na manhã seguinte, 3 de Fevereiro, pelas onze horas, com vento favorável e a maré a encher a armada portuguesa começou a entrar no canal, formada em coluna, com as naus maiores na vanguarda. Com o dispositivo que tinham adoptado os navios de alto bordo dos Rumes e de Diu não tinham possibilidade de se servir da artilharia, o que teria permitido aos portugueses afundá-los facilmente a tiro de canhão sem correrem o menor risco. Mas não passava pela cabeça de D. Francisco de Almeida nem dos outros fidalgos esquivarem-se ao combate corpo a corpo. Não obstante, logo no início da batalha, uma salva de artilharia disparada à queima-roupa pela nau portuguesa que ia na vanguarda meteu no fundo uma das naus dos Rumes. Seguiram-se as sucessivas abordagens aos navios dos Rumes e de Diu pelos navios portugueses, dando lugar a uma série de combates à arma branca isolados uns dos outros. Pouco depois uma segunda nau dos Rumes foi afundada por uma salva da nau do vice-rei, também disparada a curtíssima distância, quando, de acordo com o plano pré-estabelecido se dirigia para o interior do canal a fim de, com a ajuda das caravelas latinas e das galés, impedir que os navios de remo inimigos fossem atacar os nossos que se encontravam envolvidos nos combates à abordagem. E mais uma vez se manifestou a superioridade do navio armado com canhões no confronto com o navio guarnecido com soldados. As duas galés dos Rumes foram rapidamente tomadas; as fustas de Diu e os paraus de Calicut, apesar de serem em grande número, foram completamente desbaratados pelo intenso fogo da artilharia dos navios portugueses, vendo-se obrigados e fugir para o mar pelo outro extremo do canal.

Entretanto uma das naus de Diu tinha sido afundada, tal como as dos Rumes, a tiro de canhão. Todas as outras naus bem como os galeões foram sendo sucessivamente tomados à abordagem. Por fim só resistia a grande nau de Diu em que os nossos, por mais esforços que fizessem, não conseguiam entrar. Tiveram por isso que se resignar a afundá-la com a artilharia. A batalha chegara ao fim com uma estrondosa vitória dos Portugueses.

A batalha de Diu de 1509, a mais emblemática da História da Marinha Portuguesa foi uma das raras batalhas navais em que a armada vencida foi totalmente aniquilada. No entanto sob o ponto de vista táctico representa um retrocesso por parte dos Portugueses, atendendo a que voltaram a dar maior importância ao combate à abordagem do que ao combate de artilharia. Sob o ponto de vista estratégico foi o factor que, acima de qualquer outro, criou as condições que permitiram a Afonso de Albuquerque conquistar Goa em 1510, Malaca em 1511, entrar no mar Vermelho e obrigar o Samorim de Calicut a pedir a paz em 1513 e tornar-se definitivamente senhor de Ormuz em 1515.