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En medio de la invasión, Piérola dividió el Ejército de Línea en cuatro cuerpos. Cáceres tomó el comando del cuarto, integrado por 4500 hombres, y se concentró en San Juan, donde situó a sus tropas en los lugares más adecuados.
La noche del 12 de enero de 1881, un soldado chileno capturado informó que el ejército invasor se había movilizado en orden de batalla a las 16:00. A las 4:00 del día 13 de enero se escucharon tiros. Media hora después, el ejército chileno cargó sobre el ala derecha, defendida por el coronel peruano Lorenzo Iglesias. En ese momento, Piérola huyó hacia Chorrillos y Cáceres asumió totalmente la dirección de la batalla, solicitando apoyo al coronel Belisario Suárez, jefe de la reserva, pero sin resultados.
Sin auxilio, el cuarto cuerpo del ejército combatió por tres horas con las tropas chilenas, pero la superioridad numérica de éste era aplastante. Tras luchar con coraje, Cáceres ordenó la retirada camino a Barranco.
En el camino, el mariscal logró juntar un grupo de hombres y se dirigió a socorrer al coronel Miguel Iglesias, quien peleaba en el Morro Solar de Chorrillos. Los peruanos lograron poner en fuga a una columna chilena, pero recibieron la orden de dirigirse hacia Miraflores. Eran las 14:00 del 13 de enero.
Al caer la tarde, la batalla de San Juan había originado 10 mil bajas entre ambos ejércitos. Los chilenos, eufóricos con la victoria, saquearon e incendiaron el lujoso balneario de Chorrillos, asesinando civiles a su paso y haciendo caso omiso a las banderas neutrales.