Los paraguayos aprovecharon un sector angosto del río Paraguay, llamado Curupayty, al sur de la fortaleza de Humaitá, para construir una trinchera defensiva. Allí las altas barrancas y la estrechez del cauce facilitaban la obra. Instalaron una batería principal de tres cañones navales pesados apuntando al río, apoyada por catorce piezas ligeras que completaban la defensa.
El Mariscal López ganó tiempo con la entrevista de Yataity Corá, lo que permitió terminar la trinchera. El 21 de septiembre de 1866, tras días de trabajo continuo bajo la dirección de ingenieros militares europeos y del general José Eduvigis Díaz, las defensas quedaron listas.
A primera hora del 22 de septiembre, la armada imperial comenzó su desplazamiento. El almirante brasileño Marqués de Tamandaré, aseguró que en dos horas destruiría las obras paraguayas. A las ocho de la mañana los buques iniciaron el bombardeo: más de cien bocas de fuego descargaron sus proyectiles sobre Curupayty.
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Con la creencia de que las trincheras estaban destruidas, Bartolomé Mitre comunicó el fin de la acción naval y ordenó el ataque terrestre. Nueve mil argentinos avanzaron, y se esperaba a otros diez mil brasileños: en total unos veinte mil combatientes aliados, incluidos uruguayos. Frente a ellos, a lo largo de dos kilómetros, había cinco mil paraguayos y cuarenta y nueve piezas de artillería.
Vestidos de gala y en formación, los argentinos marcharon al encuentro. Cuando el vigía advirtió su aproximación, el general Díaz ordenó el repliegue parcial de las fuerzas cercanas al río, recorrió el frente arengando en guaraní y, al ver el momento oportuno, mandó abrir fuego.
El ataque paraguayo fue devastador: cañones, fusileros y metrallas causaron enormes pérdidas en las filas enemigas. La lluvia de días anteriores hizo el terreno barroso y dificultó la movilidad. Además, los atacantes cayeron en trampas: abatíes, zanjas cubiertas y estacas que los hirieron al avanzar.
Tras horas de fracasos y enormes pérdidas, a las 16:00 Mitre ordenó la retirada. Miles de muertos quedaron en el campo. Media hora después se tocó el clarín paraguayo de la victoria. El desastre aliado paralizó las operaciones por meses. Los paraguayos, pese al triunfo, carecían de fuerzas para un nuevo asalto y optaron por reforzar posiciones en torno a Humaitá.