La batalla duró seis horas y se desarrolló en la estancia de la familia Caseros, situada en las afueras de la ciudad de Buenos Aires, actualmente el campo de batalla se encuentra en los terrenos del Colegio Militar de la Nación.
Lo llamativo de este enfrentamiento es que habiendo chocado casi 50 mil hombres ?desde las 9:00 hasta cerca de las 15:00 en un radio de acción no demasiado amplio, las bajas fueron reducidas: apenas unos pocos cientos de hombres muertos en combate.
Urquiza no dirigió la batalla: cada jefe hizo lo que quiso. Urquiza mismo, en un acto imprudente para un general en jefe, cargó al frente de su caballería entrerriana contra la izquierda de la línea enemiga.
Entretanto, la infantería brasileña, apoyada por una brigada uruguaya y un escuadrón de caballería argentino, tomó el Palomar, curiosa construcción circular destinada a la cría de palomas ?que sigue en pie? situada cerca de la derecha rosista. Una vez que los dos flancos cedieron, sólo el centro continuó la batalla, reducida a un duelo de artillería y fusilería. La última resistencia fue dirigida por dos unitarios: la infantería de Díaz y la artillería de Chilavert. Como se le terminaron las balas, éste mandó recoger los proyectiles del enemigo que estaban desparramados alrededor suyo y disparó con estos. Y cuando no hubo nada más que disparar, finalmente la infantería brasileña pudo avanzar, marcando el fin de la batalla.
Al finalizar la batalla, habiendo tenido ocasión de escapar, Chilavert permaneció sin embargo fumando tranquilamente al pie del cañón hasta que lo llevaron frente a Urquiza. Se produjo una fuerte discusión entre Urquiza y Chilavert, en la cual el primero le recriminó su defección de la causa antirrosista. Chilavert le replicó que el único traidor era él que se había aliado a los brasileños para atacar a su patria. Iracundo, Urquiza ordenó su fusilamiento por la espalda (castigo reservado habitualmente a los traidores), pero cuando lo llevaron al sitio de fusilamiento, Chilavert, tras derribar a quienes lo arrastraban, exigió ser fusilado de frente y a cara descubierta. Se defendió a golpes, pero fue ultimado a bayonetazos y golpes de culata. Su cadáver permaneció insepulto varios días.