Утром 3 мая Массена занял позицию на Дос-Касасе напротив англичан. Ренье расположился справа напротив Аламеды; Солиньяк с одной дивизией 8-го корпуса и Друо с 9-м корпусом расположились в центре, между Аламедой и Фуэнтес-де-Оньоро, Луазон с 6-м корпусом и Монбрен с кавалерией разместились прямо напротив Фуэнтес-де-Оньоро.
Разведав расположения неприятеля, Массена постановил план сражения: внезапно атаковать левым флангом правый фланг англичан в Фуэнтес-де-Оньоро, отрезать его от Каштелу-Бона и Коа, оттеснить на центр и левый фланг к Алмейде и отбросить всех вместе в низовья Коа, где их отступление могло сделаться весьма затруднительным и даже катастрофическим. Выполнение такого плана не только облегчало снабжение Алмейды продовольствием, но и делало его самым малозначительным последствием выигранного сражения, ибо было вероятно, что в результате победы французов англичане будут одним махом оттеснены к Коимбре или даже к Лиссабону и французы найдут на складах в их тылах такие ресурсы для преследования, каких не имели для атаки на них.
Массена принял решение без промедления, и уже днем 3 мая приказал генералу Ферей, который командовал 3-й дивизией 6-го корпуса, атаковать Фуэнтес-де-Оньоро, Ренье на правом фланге — теснить англичан на Алмейду, а Солиньяку и Друо, помещенным для наблюдения в центре, связывать меж собой обе части армии.
Около часу пополудни генерал Ферей выдвинулся, вслед за легкой кавалерией Фурнье, на Фуэнтес-де-Онь-оро. Егерские полки генерала Фурнье атаковали кавалерию и легкую пехоту англичан и, энергично тесня их к селению Фуэнтес-де-Оньоро, убили и захватили в плен около сотни человек. Это ставшее столь известным селение Старой Кастилии располагалась на склоне высоты по обоим берегам Дос-Касаса и было окружено удобной для обороны оградой, за которой скрывалось множество тиральеров. Фуэнтес-де-Оньоро занимал полковник Вильямс с четырьмя батальонами легких войск и 2-м батальоном британского 83-го полка. Вдобавок к настоящим оградам, делавшим селение почти неприступным, англичане перегородили его главную улицу.
Генерал Ферей атаковал Фуэнтес-де-Оньоро силами 1200 человек, оставив в резерве вторую бригаду в 1800 человек. По сигналу он двинулся атакующим шагом на часть селения, расположенную на французском берегу Дос-Ка-саса, в штыковой атаке преодолел все преграды, возведенные на главной улице, и, несмотря на ружейный огонь со всех сторон, отбросил англичан за Дос-Касас и последовал за ними на его левый берег. Полковник Вильямс был ранен. Лорд Веллингтон, привлеченный ружейным огнем, подвел подкрепление, присоединив к пяти батальонам Вильямса 71-й полк, и оттеснил французов к берегу Дос-Касаса. Развязался ожесточенный бой, но французы не смогли перейти ручей, ибо 1200 французских солдат сражались с 4-5 тысячами английских. В 5 часов пополудни Массена приказал дивизии Ферея и одной бригаде дивизии Маршана начинать вторую, более серьезную атаку.
Генерал Ферей подвел артиллерию, обстрелял селение, затем бросил в него полторы тысячи солдат 26-го и 66-го полков, которые захватили, преодолев все преграды, нижнюю часть Фуэнтес-де-Оньоро и правый и левый берег ручья, выдвинулись к подножию высоты и в воодушевлении пытались взобраться на нее. Поднимаясь от ограды к ограде и от дома к дому, они добрались почти до вершины, но там их встретил ужасающий артиллерийский и ружейный огонь, и они вынуждены были признать недостаточность своих сил. Веллингтон, успевший подвести к этому месту еще одну дивизию, постепенно оттеснил их к подножию высоты. Он уже собирался обойти французов с правого фланга и принудить к беспорядочному отступлению за Дос-Касас, когда Ферей, присоединив участвовавшие в утреннем бое войска, ганноверский легион и полк дивизии Маршана, двинулся на англичан в штыковой атаке и заставил их вернуться на позицию, с которой они спустились. На ночлег все устроились прямо в селении, залитом кровью и покрытом развалинами; англичане остались хозяевами верхней его части, а французы — нижней части и обоих берегов Дос-Касаса.
Шесть-семь сотен англичан были убиты и ранены в Фуэнтес-де-Оньоро и почти столько же французов. Крови было пролито достаточно, чтобы дать понять Веллингтону всю важность для французов позиции, которую они хотели захватить.
Перед Аламедой, справа от Фуэнтес-де-Оньоро, Ренье сделал немногое, ограничившись захватом селения, которое англичане не думали оборонять всерьез, потому что оно находилось на правом берегу Дос-Касаса, и вынудив их отступить на левый берег, чрезвычайно обрывистый в этом месте. Лорд Веллингтон послал туда свои легкие войска, заменив их в Фуэнтес-де-Оньоро всеми дивизиями правого фланга.