El general Canterac disponía de una fuerza de 6.000 hombres, con una artillería excepcional que le permitía aniquilar al ejército enemigo; pero rehusó toda operación ofensiva, a pesar de que sus jefes subordinados la vieron posible; en cambio, optó por salir del Callao, demoler sus fortificaciones y volver a la sierra, para rodear a la capital por el norte.
El 13 de setiembre se reunió en la fortaleza una junta de guerra y dio a conocer su decisión de no combatir con los independientes y de replegarse, en cambio, a, la sierra con la guarnición del Callao. Se entabló discusión; los jefes del Callao no comprendieron por qué se rehuía la operación de la ruptura del cerco valiéndose de la poderosa artillería a su disposición. Pero Canterac persistió en su plan y la guarnición de la plaza sólo le entregó 180 soldados de infantería, 150 artilleros y 150 milicianos, con 3.200 fusiles y el vestuario de los depósitos.
Para calmar a los descontentos, prometió el jefe realista atacar a los patriotas y tentó una salida el 14 de setiembre; pero en lugar de dirigirse hacia la posición que ocupaba San Martín con su ejército, tomó la ruta de la plaza de Bocanegra, donde fue bombardeado por los cañones de la Independencia y del Araucano,que le obligaron a retroceder a toda prisa .hacia el Callao. Sin víveres, sin dinero para adquirirlos a los comerciantes ingleses, los sitiados comenzaron a carecer hasta de lo indispensable y Canterac dispuso retirarse a la sierra; el 16 salieron las columnas de la fortaleza hacia Carabayllo y Huamantanga, y San Martín se opuso a la persecución; tan sólo al día siguiente partió Las Heras con 1.500 hombres tras ellos, con instrucciones de no comprometerse en acciones importantes.
El 18 llegó la columna realista a San Lorenzo y Las Heras atacó a su retaguardia, siendo rechazado por el coronel Carratalá y obligado a retroceder en desorden. Los patriotas se rehicieron pronto y continuaron por la ruta del enemigo; al llegar a Caballeros, 48 km al norte de Lima, renunció Las Heras a seguir más allá, pues carecía de víveres y destacó a Miller con un pequeño destacamento para que continuase un tiempo más. Miller advirtió que aumentaban los desertores en las filas enemigas y se lanzó a un ataque el 22, siendo rechazado y dispersado por el brigadier Monet; renovó el ataque al día siguiente y sufrió un nuevo contraste. Canterac llegó a Jauja el 19 de octubre.
El plan de La Serna no había obtenido ninguno de sus objetivos; la expedición de Canterac regresó a los 35 días a la sierra con la pérdida de buena cantidad de sus hombres; en cambio, San Martín había mantenido su ejército, había alejado el peligro sobre Lima y se posesionó poco después de la fortaleza del Callao.