Взвесив все шансы и тактические возможности, ранним утром 28 декабря Че Гевара повел колонну на столицу провинции Лас-Вильяс. Сам он ехал в самом ее центре в открытом полевом джипе. На подступах к городу Команданте разбил свой отряд на несколько групп и поручил им захват важных объектов города. Сначала его людям удалось ворваться в помещения университета, а затем быстро овладеть местной радиостанцией. При совершении нападения они столкнулись с одним из танков противника и при перестрелке потеряли пять человек убитыми, а несколько партизан были ранены. Оставшуюся при Че часть колонны обстреляли из вагонов стоявшего на высокой насыпи бронепоезда. Битва за Санта-Клару оказалась очень тяжелой и кровавой.

Еще в утренние часы на помощь людям Че Гевары по другому шоссе прибыли группы повстанцев из числа студентов. Они направились к местному штабу армии, где располагалась основная часть войск. Тем временем к борьбе с партизанами подключилась авиация. Самолеты бомбили и обстреливали их с воздуха, вынуждая горожан прятаться по своим домам. В разгоравшейся жесткой схватке армейские чины, напуганные смелыми действиями повстанцев, запросили прислать в город подкрепление. Однако партизанам, контролировавшим дороги на подступах к городу, удалось успешно блокировать его приход. Ожидавшаяся воздушная поддержка из Гаваны по каким-то причинам тоже не состоялась. В результате всех этих событий к вечеру первого дня боев армейский гарнизон по-прежнему оставался запертым в собственных казармах. На протяжении всей ночи Че Гевара умело рассредоточивал своих людей по центральным кварталам города, местные жители возводили на улицах противотанковые баррикады, а новые повстанцы продолжали проникать в Санта-Клару мелкими группами.

На следующий день армейские войска не решились выйти из казарм и вступить в бой, предпочитая защищаться в своем закрытом лагере. Точно такую же позицию заняло командование бронепоезда. Вместо ведения боя его офицеры решили искать укрытия в тех же казармах и направили свой бронированный состав в их направлении. Но их ожидал настоящий сюрприз.

Накануне Че Гевара сам объехал некоторые участки рельсового пути и выбрал места для его разборки. По приказу Команданте бульдозеры быстро и успешно провели эту работу. Люди на бронепоезде обнаружили, что часть рельсов на их пути была накануне разобрана повстанцами только тогда, когда три его вагона с чудовищным грохотом и скрежетом рухнули с насыпи вниз и перевернулись в огромных облаках пыли и вспыхнувшего огня. Сошедший с рельсов бронепоезд тут же подвергся яростному обстрелу пулями, гранатами и бутылками с зажигательной смесью со стороны окруживших его повстанцев. Попавший в огневую ловушку личный состав парализованного бронепоезда оказался беспомощным, и уже во второй половине дня его офицеры попросили перемирия и приступили к переговорам с Че Геварой об условиях сдачи.

Сокрушительный разгром бронепоезда стал решающим этапом в захвате повстанцами столь стратегически важного объекта, коим являлась Санта-Клара. В ходе этой битвы партизанам досталось огромное количество запасов оружия. Теперь арсенал отряда Команданте получил в свое распоряжение базуки, минометы, пулеметы, одну крупную пушку, 600 винтовок и миллион боеприпасов! Это был самый крупный захват вооружения за все время тянувшейся более двух лет войны. Такая добыча одновременно превратила колонну Че Гевары в самый хорошо вооруженный отряд революционеров. В дополнение к этому невероятному успеху около четырехсот солдат армии Батисты оказались взятыми в плен. Сообщения о победоносной капитуляции бронепоезда быстро разнеслись по всей стране, нанеся мощный удар по моральному духу правительства и его войск, особенно тех, которые находились в самой Санта-Кларе. Такое серьезное поражение войск Батисты вселило в повстанцев еще большую уверенность в их окончательной победе в битве за крупнейший город центральной Кубы.