Baquedano ordena a la I División de Amengual atacar el flanco izquierdo aliado mientras que a la II División de Barceló se le instruye atacar el centro de la línea. El coronel Eledoro Camacho notó que el ataque principal era para desbordar la izquierda, por lo que envía a esa posición sus reservas: los batallones bolivianos Viedma, Tarija y Sucre y tras estos, los batallones peruanos Huáscar y Victoria, todos formando el llamado "martillo". Las divisiones chilenas faltas de municiones fueron rechazadas y obligadas a replegarse.

Cuando Camacho envía sus tropas en persecución de la división de Amengual, es asaltado por la III División de Amunátegui, la que junto con la ahora rearmada I División coge a las unidades aliadas en un fuego cruzado que deshace todo el flanco izquierdo. Simultáneamente, Barceló y Barboza atacan respectivamente el centro y derecha aliados. Campero, ya sin más tropas de refuerzo y con armamento de menor poder acaba por ceder. Eleodoro Camacho es herido y abandona el combate. Para cuando el General Baquedano envía a la reserva del Coronel Francisco Muñoz, la batalla ya estaba decidida; esta unidad solo tiene 17 heridos.​ A las 14:00 caen los últimos reductos aliados, y a las 18:00, las primeras tropas chilenas con Santiago Amengual ingresan a Tacna.​ La ciudad de Tacna es saqueada por las tropas enemigas. Ambos ejércitos sufrieron enormes pérdidas en este enfrentamiento. El ejército chileno perdió 2200 efectivos entre muertos y heridos, su contraparte 185 oficiales y unos 2.500 soldados. Luego de esta batalla, Bolivia se retira de las acciones bélicas de la guerra. Por su lado, Montero marcha hacia Tarata para proseguir hacia Puno.

El 28 de mayo las fuerzas chilenas bajo las órdenes del Coronel Pedro Lagos son despachados los regimientos "Buin" 1º de Línea, 3º de Línea, 4º linea y los batallones Lautaro y Bulnes hacia Pachía, totalizando 5.380 efectivos. Una vez llegados a destino, se dirigen al puerto de Arica. Ya para el 5 de junio, Arica es cercado por tierra y por mar. La guarnición del Morro de Arica estaba compuesta por las divisiones VII y VIII, y constaba de 1.901​ soldados, comandados por el Coronel Francisco Bolognesi. El 6, se inicia un fuerte bombardeo a la fortaleza peruana por mar y tierra. Durante estos enfrentamientos, el buque chileno Cochrane resulta averiado y con 27 bajas.

En la madrugada del 7 de junio de 1880, los regimientos chilenos 3º de Línea y 4º de linea toman los fuertes Ciudadela y Este. El Batallón chileno Lautaro toma las baterías San José, 2 de Mayo y Santa Rosa. Las dos últimas fueron destruidas por los defensores peruanos, los que luego se repliegan hacia el morro.

Los soldados chilenos avanzan a la cima del morro la cual ocupan en 55 minutos. El ejército peruano hubo de lamentar la muerte del Coronel Bolognesi y del Capitán de Navío Moore. Tras el combate, las fuerzas chilenas ocuparon la plaza. En medio del caos inicial, soldados chilenos dispersos asesinaron a numerosos prisioneros peruanos a las puertas de la iglesia de la ciudad​ y cometieron destrozos, hasta que los comandantes chilenos lograron restablecer el orden.