Po kilku godzinach zaciekłych walk Amerykanie zdołali wyprzeć Meksykanów z osady i opanować ich umocnienia, a następnie uderzyć na pobliską wioskę Casa Mata, również silnie bronioną.
Artyleria meksykańska ze wspomnianego zamku Chapultepec przez całą bitwę ostrzeliwała intensywnie Amerykanów, co jeszcze bardziej powiększyło ich straty. Kiedy w końcu Meksykanie zostali wyparci z obu osad, okazało się, że w Molino del Rey nie było żadnego parku artyleryjskiego, wojska Scotta straciły 800 ludzi z najlepszych jednostek, a opanowane punkty oporu i tak trzeba było opuścić. Meksykanie stracili ok. 2000 zabitych lub rannych, a ok. 700 trafiło do niewoli.
Dowodzący armią meksykańską gen. Santa Anna sądził, że celem uderzenia amerykańskiego był zamek Chapultepec (rzeczywiście atakowany przez grupę pozoracyjną), uznał iż odniósł sukces i rozgłosił to w meksykańskich gazetach. Amerykanie również uznali tę bitwę za zwycięstwo, ponieważ zdobyli obie osady.
12 września Amerykanie zaatakowali zamek Chapultepec i zdobyli go po krótkiej, choć gwałtownej walce, wycinając w pień obrońców, w tym broniących zamku kadetów ze znajdującej się tam szkoły wojskowej.