Los ejércitos de la Confederación y el de Buenos Aires se encontraron en octubre en la Cañada de Cepeda, aproximadamente en el mismo lugar en que chocaron los federales y las fuerzas del director supremo Rondeau dos decenios antes.
El propio Mitre describió el terreno en su Historia de Belgrano:
"Es ésta una de las pocas posiciones militares que presenta la campaña norte de Buenos Aires en su vasta planicie, apenas accidentada por ligeras hondonadas, por donde corren las aguas pluviales y arroyos de lento curso, con rarísimos relieves del terreno que no merecen ni el nombre de colinas. La Cañada de Cepeda, bastante profunda y pantanosa, se derrama en el Arroyo del Medio, y tiene por tributarios arroyuelos que bajan a ella perpendicularmente, abrazando un vasto perímetro en cuyo centro se levantan algunas lomadas, que dominan los aproches;de aquel arroyo en dos leguas de extensión. Tiene además la ventaja de conservar sus pastos naturales y aguadas en medio de las más grandes sequías, y de ofrecer buenos puntos de abrigo para la caballada de un ejército".
Frente a la superioridad numérica del adversario, sobre todo por su caballería, Mitre decidió ocupar una posición defensiva para emplear con éxito su infantería, que era superior a la enemiga; adoptó un dispositivo de seguridad para evitar sorpresas; su infantería fue ordenada en formación cerrada, como para defender la artillería y el parque; la caballería quedó en retaguardia y en los flancos.
Una cadena de puestos avanzados daba seguridad al grueso del ejército y dos regimientos de caballería fueron, destacados hacia la línea del arroyo del Medio como vanguardia.
Hasta el 20 de octubre se supo que el ejército confederado se mantenía al norte del arroyo Pavón y que había adelantado algunas tropas de caballería en exploración hacia el sur.
La Batalla de Cepeda del 23 de octubre de 1859, ocurrió entre el Estado de Buenos Aires y la Confederación Argentina y llevada a cabo en la cañada del bonaerense arroyo Cepeda que es un afluente del Arroyo del Medio que divide las provincias de Buenos Aires y Santa Fe ubicado a 45 km al suroeste de la ciudad de San Nicolás de los Arroyos en el norte de la provincia de Buenos Aires.
El 21 ordenó Mitre al general Hornos, con 4.000 jinetes, que hiciese un reconocimiento en dirección al enemigo, y, si las circunstancias se le presentaban favorables, que aprovechase el aislamiento de la caballería de Urquiza al sur del arroyo para atacarla por el flanco, apoyado en la superioridad numérica momentánea.
En la noche del 21 al 22 hubo una fuerte tormenta que dispersó las caballadas y Hornos no pudo cumplir estrictamente las instrucciones recibidas. Se limitó su reconocimiento a avanzar hasta las puntas de la Cañada Rica, donde tropezó con una fuerza de caballería enemiga de 400 hombres, a la que rechazó; pero a su vez tuvo que retirarse ante la presencia de fuerzas superiores que avanzaban desde el norte del arroyo.
El 23 a la madrugada repitió Mitre la operación exploratoria, pero con menos tropas de caballería y objetivo más limitado; y cuando supo que el enemigo marchaba hacia el arroyo del Medio, reforzó los regimientos de blandengues y de húsares a las órdenes de Julio de Vedia con dos regimientos de caballería, formando una masa de 1.500 jinetes a las órdenes del coronel Esteban García.
El ejército de la Confederación inició su marcha hacia el sur en busca del de Buenos Aires en las primeras horas del 23 de octubre. Las tropas de Buenos Aires eran mandadas por el coronel Rivas, el comandante Adolfo Alsina, Morales, Alberto Rivera, Conesa, Emilio Mitre, Carlos Lezica, Alejandro Díaz, José de Arredondo; la artillería era dirigida por el coronel Nazar; la caballería tenía a su frente a los coroneles Hornos y Flores.
La caballería de Urquiza hizo alto a 1.200 metros de las tropas porteñas, en espera de la infantería y la artillería que habían quedado retrasadas. Tan sólo a las tres de la tarde llegó el resto del ejército confederado a la línea ocupada por la caballería. En las largas horas de espera, Mitre se halló en la mayor incertidumbre, sin saber lo que ocurría detrás de la avanzada entrerriana; imaginó que el propósito de Urquiza era inmovilizado con su caballería mientras la infantería y la artillería marchaban tranquilamente hacia San Nicolás; pero poco después de las cinco de la tarde aparecieron los primeros batallones enemigos frente a la posición que mantenían las tropas de Buenos Aires y Mitre comprendió que iba a ser atacado frontalmente.
A las cinco de la tarde el ejército confederado ocupaba este dispositivo de combate: en la extrema derecha, la división de caballería de Juan Pablo López, varios escuadrones que formaban una división al mando del general Galarza, la infantería intercalada entre los batallones y las piezas de artillería; en el ala izquierda las divisiones de caballería de Gualeguay, La Paz y las que mandaban los coroneles Pedernera y Lagos.
Antes de las 6 de la tarde, ordenó Urquiza el ataque; tomó a sus órdenes directas las tropas de la derecha y encargó a su jefe de estado mayor, Benjamín Virasoro, el mando de las de la izquierda.
Al avanzar la infantería de Urquiza, Mitre adelantó la artillería unos doscientos pasos e inmovilizó así con su fuego a la artillería enemiga, al mismo tiempo que impedía el avance de la infantería en el centro de la posición ocupada por el ejército de Buenos Aires.
Urquiza cambió entonces su plan de ataque; en lugar de empeñarse en todo el frente, hizo avanzar su caballería hacia los flancos del ejército enemigo; el ataque del ala derecha fue rechazado por la infantería y la artillería porteñas, pero la caballería de Hornos y la de Flores se desbandaron al iniciar su ataque las legiones entrerrianas; sólo se salvó un grupo de 60 hombres que Hornos consiguió reunir y conducir al ala derecha porteña.
Mitre ordenó una maniobra para salvar la situación mediante un cambio de frente, pero no la pudieron realizar más que la derecha y el centro, pues la izquierda quedó aniquilada, perdiendo tres de sus cuatro batallones.
Al llegar la noche, comenzó a decrecer la acción y la presión del adversario cesó por momentos; la caballería confederal, llevada por el empuje de su ataque, había detenido sus caballos fuera del campo de lucha.
Los cirujanos Leopoldo Montes de Oca, Santiago de la Rosa, Caupolicán Molina, Manuel Fluguerto atendían como podían a los heridos.
A eso de las 7 se vieron los resplandores de los fogones de las tropas de Urquiza en dirección a los caminos que llevan a San Nicolás y Pergamino; pero Mitre supo que la caballería adversaria, muy numerosa, se hallaba a pocos kilómetros de su emplazamiento.
La derrota del ejército de Buenos Aires era inevitable; había quedado sin caballería y con sólo parte de su infantería pensó en una marcha nocturna sobre San Nicolás, aprovechando el hecho de que las tropas enemigas habían perdido momentáneamente el contacto con las suyas. Reunió a sus jefes principales: Paunero, Flores, Nazar, Conesa, Emilio Mitre y Rivas y decidieron retirarse esa misma noche hacia San Nicolás, ocupar la plaza, sostenerse en ella o embarcar en la escuadra allí surta para acudir a la defensa de Buenos Aires.
La marcha se inició a eso de las once de la noche, en formación cerrada, en tres columnas; tropezaron con pequeñas fracciones del ejército federal, pero llegaron a San Nicolás el 24 de octubre después del mediodía los 2.000 hombres salvados de Cepeda, con 6 piezas de artillería, sin comer ni dormir durante 36 horas y habiendo cubierto 16 leguas en 15 horas.
Los nueve buques de la escuadrilla de la Confederación se hallaban anclados frente a San Nicolás; la escuadrilla de Buenos Aires, al mando del coronel Susini, estaba anclada en el puerto. La infantería y parte de la artillería salvadas de Cepeda embarcaron en las naves y el 25 por la tarde salieron del puerto dispuestas a atacar a las naves adversarias y lanzar la infantería al abordaje; las escuadrillas se cañonearon más de una hora, pero la de Buenos Aires siguió viaje a la capital sin ser molestada; los marinos confederados no disponían de carbón para perseguirla.
Cepeda, pues, no fue una batalla de aniquilamiento, aunque del ejército de Buenos Aires solamente se salvaron unos 2.000 hombres de infantería; pero fue una derrota en regla de los porteños.