В 1508 году военные действия в Северной Италии возобновились. Франция, Испания, Германская империя и папа, а также несколько мелких итальянских государств составили коалицию против Венеции. Французские войска в 1509 году разбили венецианцев в битве при Агнаделло, но в следующем году папа Юлий II заключил с Венецией мир и сформировал Священную лигу против Франции. В ее состав вошли Венеция, Швейцарская конфедерация, Англия, Германская империя, а также ряд мелких итальянских государств.
В 1513 году швейцарцы разбили французов в битве при Новаре и заставили их уйти из Ломбардии, но со смертью Юлия II в том же году Лига распалась. В 1515 году новый французский король Франциск I в союзе с венецианцами одержал победу над швейцарцами при Мариньяно. В результате по мирному договору в Нуайоне Милан был возвращен Франции.
В 1521 году начался последний период итальянских войн, продолжавшийся до 1559 года. Испанский король и император Священной Римской империи Карл V объявил войну Франции и взял Милан, занятый сильным французским гарнизоном. После этого испанцы попытались вторгнуться во Францию, но потерпели неудачу. После этого французский король Франциск I во главе армии в 1524 году перешел Альпы и вновь занял Милан, блокировав в цитадели неприятельский гарнизон. На этот раз Карла поддержали Англия, папа римский, Мантуя и Флоренция. На стороне Франции были Венеция и Швейцария.
После Милана французы осадили крепость Павию, обороняемую испанской и немецкой пехотой. Франциск блокировал Павию, построив контрвалационную линию. Гарнизон стойко вынес четырехмесячную осаду, пока к нему на выручку не подошла армия испанского полководца Пескары. Она состояла из 8 тысяч испанских мушкетеров и 12 тысяч немецких наемных солдат — ландскнехтов. Франциск мог противопоставить им 8 тысяч швейцарской наемной пехоты, 7 тысяч французских пехотинцев и 5-тысячную «черную банду» нижнегерманских ландскнехтов. Французская кавалерия превосходила по численности испанскую. У французов, располагавших 53 орудиями, было преимущество и в артиллерии.
Для предотвращения деблокады Павии Франциск построил циркумвалационную линию, северным участком которой стала стена Охотничьего парка, примыкавшего к Павии. Лагерь французского войска был разбит восточнее города на направлении ожидавшегося наступления армии Пескары. К западу от Павии остался только арьергард герцога Алансонского.
Пескара сделал вид, что собирается прорываться на восточном участке циркумвалационной линии, и разбил здесь свой лагерь. В действительности же он решил попытать счастья в районе Охотничьего парка, где местность — холмистый чуг, поросший кустарником, — была неудобна для действий больших масс войск. В ночь с 23 на 24 февраля испанцы пробили три бреши в кирпичной стене и устремились в парк. Авангард составляли 3 тысячи испанских мушкетеров, за ним шла кавалерия, а за кавалерией — ландскнехты.
Лишь на рассвете Франциск узнал о движении неприятеля и поднял свои войска по тревоге. Он лично возглавил передовой отряд жандармской конницы, усиленный артиллерией. Сначала жандармам удалось потеснить испанскую конницу. Но мушкетеры, укрываясь в кустах, прицельным огнем остановили французскую кавалерию. Затем в бой пошла «черная банда», но против нее оказались 12 тысяч неприятельских ландскнехтов, действовавших двумя колоннами. «Черная банда» была разгромлена и в беспорядке бежала. Только после этого к месту боя прибыла швейцарская пехота, с которой сразилась теперь уже вся испанская армия. В тыл швейцарцам ударил гарнизон Павии. Они были разгромлены и бежали.
Арьергард французов, узнав о поражении главных сил, не стал ввязываться в сражение. Герцог Алансонский приказал отступать за реку Тичино и взорвать за собой мост. Остатки французской армии, находившиеся к востоку от Павии, не успели переправиться и вместе с королем Франциском попали в плен. Поражение французов было предопределено внезапностью неприятельской атаки, а также тем, что французские войска вступали в бой по частям.
После разгрома у Павии Франция сблизилась с немецкими протестантскими княжествами и Османской империей. Письмо Франциска I к султану Сулейману I Великолепному с предложением союза для борьбы с Габсбургами стало поводом для вторжения турецких войск в Венгрию. В 1526 году у Мохача они разбили венгерское войско, усиленное имперскими отрядами, а в 1529 году появились под Веной. Эти события заставили Карла V отозвать часть войск из Италии и отказаться от планов вторжения во Францию.