Оба флота встретились 25 сентября возле крепости Превеза в заливе Арта. Синан Рейс предварительно занял укрепления Превезы, обеспечив, таким образом, защиту турецкого флота со стороны суши. Понимая важность захвата береговых укреплений, Дориа снова дважды попытался высадить десант 25 и 26 сентября, однако оба раза эти попытки заканчивались провалом.
Таким образом, перед началом битвы турецкий флот имел определённое преимущество над христианским. Хайреддин, имея за спиной надежные укрепления и находясь в удобной бухте, мог бесконечно долго выжидать битвы. Адмирал Дориа, напротив, находился у вражеского побережья в осеннем море, которое становилось все более и более неспокойным, что грозило галерному флоту большой бедой.
Ночью 27–28 сентября Дориа крейсировал в 30 милях к югу от Превезы и ожидал благоприятного ветра. Он собрал военный совет, на котором решался дальнейший план действий. Престарелый адмирал не хотел рисковать. Особенно его беспокоили парусные суда, входившие в состав эскадры, они имели слишком большую осадку и могли напороться на подводные камни, что грозило обернуться катастрофой.
На рассвете 28 сентября Дориа увидел то, что меньше всего ожидал – турецкий флот вышел из-под защиты укреплений и направился на юг. Драгут руководил правым крылом флота Барбароссы, Салих – левым. Турки яростно атаковали христианский флот, стоявший на якоре у острова Сессола.
Не веря своим глазам, Дориа отдал приказ о наступлении. К сожалению, отсутствие ветра не способствовало успеху христианского флота. Все парусные корабли остались из-за штиля на своих местах, представляя собой отличную мишень для атаки вражеских галер. Два галеона были сожжены, а третий, «Боканегра», потерял свою грот-мачту и вышел из боя. Только когда поднялся ветер, у парусников появился шанс дать достойный ответ галерам. Однако главной ударной силой флота по-прежнему оставались галеры. Но Дориа колебался и, несмотря на протесты других адмиралов, продолжал выжидать. Лишь отдельные галеры христиан вступали в бой разрозненными группами. Результат такого боя был вполне предсказуем. Хайреддин потопил десять, сжёг три и захватил ещё тридцать шесть кораблей. В плен к туркам попали около трёх тысяч человек. Турки не понесли потерь в кораблях, тем не менее многие из них получили тяжёлые повреждения, в основном от орудийного огня испанских и венецианских галеонов. На кораблях Барбароссы было убито 400 человек и ещё 800 получили ранения.