Las huestes de Pizarro abandonaron las zonas costeras, en las que de forma natural se sentían más cómodos pero para encontrar a la nueva civilización tenían que ascender a las montañas andinas. Comenzaron la ascensión sintiendo rápidamente los rigores del frío y de la altura hasta que llegaron a la meseta cansados y exhaustos. Allí recibieron la visita de varios mensajeros de Atahualpa con su invitación para que le visitasen en Cajamarca.

El 15 de noviembre de 1532 avistaron la gran ciudad inca de piedra. Estaba completamente vacía. Había sido abandonada por Atahualpa por lo que fue tomada sin mayor problema. En ella montaron el campamento y Pizarro, avisados de la cercanía del inca, envió a sus capitanes Hernando de Soto y Hernando Pizarro como embajadores a enviarle saludos y a convocarle nuevamente a una reunión al día siguiente en el mismo lugar. El emperador inca aceptó la invitación, tenía curiosidad y necesitaba saber qué querían exactamente esos extranjeros recién llegados.

Por la noche los españoles prepararon un plan muy similar al ya ejecutado por Hernán Cortés en la conquista del Imperio Azteca: lanzar su caballería en tres pelotones, comandado cada uno por Hernando de Soto, Sebastián de Belalcázar y Hernando Pizarro, que distrajesen la atención de los soldados incas, provocar el caos y el terror con el cañón y los arcabuces de que disponían y Pizarro, personalmente, junto con unos pocos hombres atacarían directamente al emperador haciéndole prisionero.

Al día siguiente Atahualpa se presentó en el lugar convenido en su litera de oro macizo y junto a 10.000 nativos quiteños aparentemente desarmados, si bien parece que sí llevaban armas cortas escondidas bajo sus ropas, tal era su confianza en que aquellos pocos hombres no podrían vencerles en su  propia tierra. Pero no encontró a nadie, la plaza central de la Cajamarca estaba, de nuevo, vacía. ¿Dónde estaban los españoles?

De repente y sin aviso previo hizo aparición un cura dominico llamado Vicente de Valverde con un crucifijo y una biblia. Se colocó frente a Atahualpa y a través del intérprete Felipillo le dijo:

“Yo soy sacerdote de Dios, y enseño a los christianos las cosas de Dios, y asimesmo vengo a enseñar a vosotros. Lo que yo enseño es lo que Dios nos habló, que está en este libro. Y por tanto, de parte de Dios y de los christianos te ruego que seas su amigo, porque así lo quiere Dios; y venirte ha bien de ello; y ve a hablar al Gobernador (Pizarro), que te está esperando” (extracto de la Verdadera relación de la conquista del Perú de Francisco de Xerez)

Tal recibimiento indignó y enfadó al emperador que les recriminó los robos que habían realizado en su trayecto hasta Cajamarca, pero el sacerdote le respondió que no habían robado nada, que todo se lo dieron los caciques con los que entablaban relación. Viendo el mal genio de Atahualpa Valverde y Felipillo pusieron pies en polvorosa. En ese momento sonó la señal convenida: un tiro de arcabuz y tras las murallas aparecieron los jinetes de la caballería española que cayeron sobre los quiteños, que no daban crédito a lo que estaba ocurriendo y se atropellaban unos a otros intentando huir de esa encerrona en que habían caído. Pizarro junto a 25 soldados se abrió paso entre los desconcertados incas y capturó a Atahualpa.  El imperio inca acababa de caer en tan solo media hora de batalla, si bien su conquista aún duraría un tipo porque quedaban generales incas distribuidos por el territorio.

Atahualpa fue recluido en uno de los palacios colindantes a la Plaza Central de Cajamarca y le fueron asignadas varias mujeres capturadas y algunos siervos para que no le faltase de nada. Al poco tiempo averiguó qué querían realmente sus captores y les ofreció llenar una habitación de oro hasta el techo y otras dos de plata a cambio de su libertad. Evidentemente Pizarro aceptó si bien se guardaría cualquier as en la manga para no liberar al emperador; hacerlo supondría un auténtico suicidio. Mientras dichas habitaciones se iban llenando de piezas de oro y plata llevadas allí desde todos los puntos del Perú Pizarro encontró la excusa perfecta para no liberarle cuando llegó la noticia del asesinato de Huáscar, que estaba prisionero en Andamarca, ciudad tomada por las tropas de Atahualpa, al que ordenó ejecutar para evitar que pudiese negociar con los extranjeros.  Por esta razón se abrió proceso judicial contra el inca en el que se le acusó y condenó de homicida, fraticida y regicida por el asesinato de su hermano Huáscar; de incesto por casarse con sus hermanas; de hereje por no querer bautizarse;  y de asesino por ordenar la matanza de todas las mujeres e hijos de Huáscar. Camino del patíbulo accedió a ser bautizado por lo que la pena de morir en la hoguera, según las creencias incas si un cuerpo era quemado no podría resucitar,  fue conmutada por la de garrote. Todo esto ocurrió el 26 de julio de 1533.

Sin embargo, la muerte de Atahualpa fue contraproducente, teniéndolo vivo Pizarro podía mantener a sus generales y a su pueblo controlados, sin embargo al desaparecer tanto él como Huáscar se volvieron a formar nuevos bandos rivales y cada uno con su candidato a inca.  Los generales Rumiñanui y Quizquiz atacaron a los españoles en distintos lugares sin mucho éxito. Desde la caída de Atahualpa habían llegado numerosos refuerzos desde Panamá y Pizarro ya contaba con un ejército de unos 600 hombres, además de los aliados quechuas que se habían unido a ellos para expulsar de sus tierras a los quiteños traídos por Atahualpa.

Tras la muerte del inca Pizarro nombró como nuevo emperador a un joven hermano de Atahualpa, Túpac Huallpa, y partieron hacia Cuzco, capital del imperio incaico, en donde se procedería al nombramiento formal del nuevo inca. Pero este nunca llegaría a Cuzco ya que murió envenenado en Jauja por un general quiteño de Atahualpa.  Pizarro envió por delante a Hernando de Soto como avanzadilla de la hueste española. Antes de llegar al  Cuzco se le ofreció otro hijo de Huáyna Capac para ser emperador: Manco Cápac o Manco Inca Yupanqui. Pizarro lo aceptó, le convenía tener a un nativo junto a él, de esta manera los quechuas se unieron a los españoles en su lucha contra los quiteños, a los que querían expulsar a su reino del norte.

Cuando llegaron a las puertas del Cuzco, los quiteños lucharon denodadamente para mantener sus posiciones pero en cuanto vieron que iba a ser imposible frenar  el avance hispano-quechua decidieron  marcharse y dejar libre la ciudad. El 14 de noviembre de 1533 Pizarro entró en el Cuzco aclamado como el liberador de los incas frente a los quiteños y como el vengador de la muerte del inca Huáscar. Dispuso refundar bajo instituciones españolas la ciudad de Jauja para situar en ella la capital administrativa de la nueva gobernación.