Последовавшая неразбериха, усилившаяся из-за перемены ветра на вест-норд-вест, дала головным турецким кораблям возможность выйти на наветренную сторону. Увидев это, Диедо прервал бой, повернул через фордевинд снова на левый галс, чтобы сблизиться с арьергардом, а потом направился на северо-запад. Турки тем временем повернули на правый галс и взяли курс на юг.

Сражение длилось чуть больше четырех часов. В нем приняло участие меньше половины венецианского флота, и, естественно, корабли авангарда сильно пострадали. Потери венецианцев в живой силе составили 182 человека убитыми и 375 ранеными.

Ночью венецианцы снова разделились. Коррер в арьергарде потерял из виду огни кораблей Диедо и направился к Цериго, предполагая, что туда в первую очередь пойдет его командир. А Диедо в это время очень медленно двигался на северо-запад и почти остановился, ввиду отсутствия ветра, в западной части бухты. К счастью, отсутствие ветра не позволило Корреру уйти далеко, так что флот воссоединился утром 21-го – раньше, чем турки сумели атаковать. Тогда Диедо направился к Цериго, рассчитывая, что ему удастся избежать боя с подветренной стороны. Надежды не оправдались. Юго-западный ветер усилился, и турецкий флот, находившийся недалеко от Матапана, очень скоро оказался в выгодном положении для нападения. Когда турецкий флот двинулся на венецианцев, Диедо выполнил обычный маневр командира, находящегося с подветренной стороны, желающего избежать сражения. Его корабли один за другим повернули через фордевинд. Это опять оставило арьергард позади и вернуло авангард в узкие воды залива, не произведя желаемого эффекта. Перестрелка началась сразу после двух часов пополудни, при этом оба флота двигались в направлении вест-норд-вест левым галсом.

У венецианцев корабль «Мадонна делл’Арсенал» еще не был готов к сражению, а «Гранд Алессандро» не мог занять причитающееся ему место головного корабля. Поэтому из арьергарда перешел корабль «С. Лоренцо», чтобы возглавить строй. На его борту был Вендрамин, капитан корабля «Мадонна делл’Арсенал», в дополнение к его собственному командиру, сержант-майору Костанци, младшему капитану флота. За «С. Лоренцо» следовали «С. Гаэтано», флагман «Трионфо», «Костанца», «Гранд Алессандро», «С. Франциско», «Коломба» и остальной флот.

Сначала самое напряженное сражение развернулось в центре, где находился капудан-паша. Турки вели огонь высоко, и от него сильно страдал рангоут и такелаж венецианских кораблей. Примерно через час «С. Спиридон» в центре и «С. Пьетро д’Алькантара», что на три корабля впереди, были вынуждены спуститься под ветер и выйти из линии, а немного позже в центре осталось только три венецианских корабля, принимавшие участие в сражении, – «Глория Венета», «Салюте» и «Фортуна». Арьергард вообще не участвовал в сражении. Три последних корабля линии – «Корона», «Леоне Трионфанте» и «С. Пий V» в какой-то момент оказались с наветренной стороны от части турецкой линии, но Коррер настоял на буквальном соблюдении боевого порядка и приказал «Короне» спуститься под ветер на свое место – с кормы от «Террора».