Le 10 mars les Français sont de retour devant Puebla. La ville s’est préparé au siège. Les 7 forts protégeant la ville ont été renforcés et entourés de fortifications de campagne, les alentours de la ville ont été dévastés et de nombreux habitants ont été évacués. Les ordres de général Forey sont cependant de prendre la ville d’assaut et non l’assièger.

Le 19 mars l’encerclement de Puebla est terminé mais les assaillants ne disposent pas de suffisamment de munitions pour un assaut général. Forey décide donc de s’emparer des hauteurs de San Juan. Les sapeurs creusent des tranchées jusqu’à quelques dizaines de mètres des murailles du fort San Javier. L’artillerie française met hors de combat presque tous les canons des défenseurs. Le 26 mars, le général Bazaine lance à l’attaque les régiments vaincus l’année précédente. Après une journée de combats acharnés, ils s’emparent de la place.

Les Mexicains se replient dans les faubourgs de la ville. Commencent alors plusieurs semaines de combats de rue meurtriers. Les défenseurs bénéficient du couvert offert par les murs très épais de la plupart des habitations. Ils résistent et lancent même de nombreuses contre-attaque. Néanmoins la lente dégradation de leur situation nécessite l’intervention d’une armée de renfort. Mais celle-ci est battue par Bazaine à San Lorenzo, le 8 mai.

L’arrivée à Puebla d’un convoi comportant des pièces de siège, grâce au sacrifice d’une compagnie de la Légion étrangère à Camerone, place les assiégés dans une situation désespérée.

La réduction des forts de Totimehuacan et Carmen mais aussi l’épuisement de ses munitions d’artillerie poussent le général Ortega à la reddition, le 17 mai 1863. Le 7 juin, les Français entrent à Mexico