A pesar de su reciente victoria, las tropas del Ejército Realista del Alto Perú, al mando del general Joaquín de la Pezuela, estaban refugiadas en las alturas de Condo-Condo y rodeadas por poblaciones hostiles. Debido a ello no podían emprender ataque alguno contra el Ejército del Norte. Finalmente, el 29 de octubre, los realistas partieron desde su campamento en Condo-Condo a fin de retomar la ofensiva antes de que los patriotas se robustecieran más. El 12 de noviembre llegaron a Toquirí, una elevación a cuyos pies se halla la pampa de Ayohúma.
Belgrano quiso ir al encuentro del enemigo, aunque la mayoría de los jefes de sus tropas era partidaria de retirarse o de realizar operaciones secundarias antes de empeñarse en una batalla decisiva; el coronel Perdriel propuso, por intermedio de Díaz Vélez, que se evitase el combate y se avanzase por la provincia de Chayanta hacia las pampas de Oruro, para asaltar esta ciudad y copar los depósitos y la guarnición y llegar a La Paz, entreteniendo así al enemigo y movilizando entretanto tropas y apoyando los movimientos de la costa.
En una junta de guerra convocada por Belgrano el 6 de octubre, Perdriel expuso su plan; Díaz Vélez fue partidario de retirarse hacia Potosí. El jefe patriota, lleno de fe, rebatió los argumentos de los disidentes e hizo primar su criterio favorable a librar una acción decisiva, apoyándose en la buena disposición de las tropas, en su caballería bien montada y en las ventajas que ofrecía el terreno.
En el campo de Ayohuma 200 muertos, 200 heridos y más de 500 prisioneros patriotas, además de toda la artillería, bagaje y parque. Las pérdidas de Pezuela ascendieron a unos 200 muertos y 300 heridos.
Sin embargo, la preparación de las fuerzas patriotas era todavía deficiente y su artillería propiamente no existía. Si hubiese retardado el encuentro un poco más, habría llegado Domingo French con los cañones tomados en Tucumán y Salta que hubieran podido estar en Potosí para el 15 de noviembre.
Inició la marcha el ejército patriota el 8 de noviembre y al día siguiente acampó en la pampa de Ayohuma.
Fracasó totalmente la previsión de Belgrano y ante el ataque realista el día 14, no tardó en producirse la ruptura de sus líneas y la fuga desordenada como única salida. Empuñó Belgrano la bandera y reunió algunos núcleos dispersos, menos de 400 hombres, con los que se puso en marcha hacia Potosí. En el campo de batalla quedó el parque, bagajes, 600 prisioneros, 200 heridos, 300 muertos y más de 1.000 fusiles. El enemigo tuvo también pérdidas, pero recogió un importante botín. La batalla había sido mal concebida y mal conducida y resultó un nuevo y grave desastre para los patriotas, y tuvo por consecuencia el abandono del Alto Perú.