Tras los combates de los días 14 y 15, Dupont estimó que el ataque principal de los españoles se efectuaría sobre Andújar, frente a la cual creía que había unos 18.000 hombres. Estimó en 6.000 hombres los apostados en frente a Villanueva, vigilados por los hombres de la 4ª Legión; en cuanto a las fuerzas de Mengíbar, Vedel estimó su fuerza en unos 3.000 hombres y no los atacó confiado en la actitud poco resuelta a forzar el paso del río que mostraron los españoles la mañana del día 15.

Tras estas estimaciones, Dupont solicitó refuerzos a Vedel para hacer frente a Castaños en Andújar; Vedel marchó hacia allí con la mayor parte de su división (5ª Legión, un batallón del 3er. Regimiento Suizo, el 6º Provisional de Dragones y 11 piezas de artillería), dejando frente a Menjíbar el destacamento del general Liger-Belair reforzado con un batallón del 3er. Regimiento Suizo. Además, solicitó al general Gobert que reforzada a Ligel-Belair en su caso con sus tropas de Bailén, estimadas en unos 900 hombres y 200 jinetes.

Las tropas de Vedel abandonaron Menjíbar bajo la atenta mirada del general Reding, que había escondido la mayor parte de sus tropas en los combates del día 15. Por ello resolvió atacar el 16 por la mañana las posiciones de Menjíbar y forzar el paso hasta llegar a Bailén. Para ello solicitó refuerzos a Coupigny, que el envió un batallón del Regimiento de Ceuta, 200 voluntarios de Cataluña, dos piezas de artillería y algunos jinetes. Estos refuerzos fueron desplegados frente al paso de la Barca, en Mengíbar, para distraer a los franceses mientras el grueso de la División Réding atravesaba el río Guadiel tres kilómetros aguas arriba por el vado de El Rincón.

Los franceses no fueron sorprendidos, puesto que a las dos de la madrugada un reconocimiento de caballería alertó a Liger-Belair de las intenciones de los españoles. En consecuencia, los franceses se retiraron de sus posiciones en Mengíbar a una nueva posición más a retaguardia en el camino de Bailén, en espera de los refuerzos que enviase el general Gobert.

Finalizado el cruce del río Guadalquivir, Réding atacó la nueva posición francesa con el Regimiento de Caballería Farnesio y los lanceros de Utrera y Jerez, conocidos como los "garrochistas". En el momento de la carga los garrochistas alancean a los infantes franceses, que se refugian en un olivar, donde establecen unas piezas de artillería y ametrallan a los jinetes españoles. La superioridad numérica española obligó a los franceses a retirarse tras el cauce seco del río Guadiel. La retirada fue ordenada y perdieron tan solo un cañón. A las ocho de la mañana llegaron los refuerzos del general Gobert, quien tomó el mando de la defensa.

Los franceses desplegaron poco más de 2.000 hombres y cuatro piezas de artillería. El centro de la línea francesa estaba formada por el destacamento de Liger-Belair y el batallón del 3er. Regimiento Suizo. En la izquierda desplegaron un batallón del 7º Regimiento y 150 coraceros. En la derecha desplegaron cuatro compañías del 7º Regimiento, 80 dragones y 50 coraceros.

Frente a ellos el general Réding desplegó unos 9.000 hombres y diez cañones. Su plan era aprovechar su aplastante superioridad numérica para desbordar a los franceses por ambos flancos. Sus unidades de infantería pertenecían al Batallón de Barbastro, el Tercio del Cuerpo Expedicionario de Tejas, el 3er. Batallón de Guardias Valonas, el Regimiento de la Reina y el Regimiento de la Corona, apoyados por el Regimiento de Caballería de Farnesio, un escuadrón de Olivenza, otro de Numancia y el que formaban los voluntarios "garrochistas".

La línea francesa se retira en orden. Vuelven a la carga los jinetes de Farnesio, Olivenza y los "garrochistas". Esta vez los franceses del 7º Regimiento forman un disciplinado cuadro, que con sus cerradas descargas detiene a los jinetes españoles. El capitán del Farnesio D. José Cherif, al mando de los jinetes garrochistas, es alcanzado en ambas muñecas y muere desangrado. Este oficial era nieto de los Cherifes de Tafilete que habían sido acogidos a la protección española por el rey Carlos III. También caen muertos los alféreces D. Diego Aguirre y D. Vicente Lariz.

La línea francesa prosigue la retirada. El escuadrón de Numancia carga de nuevo sobre el 7º Regimiento, que se ve forzado a formar el cuadro de nuevo.

El general Reding lanza al ataque el Batallón de Barbastro y el Tercio de Tejas, flanqueados por los escuadrones de Olivenza y Numancia. Son sorprendidos por una unidad de coraceros franceses formada por entre 150 y 200 coraceros, que se prepara para cargar contra los españoles. Los cazadores y dragones de Olivenza y Numancia cargan a su vez sobre los coraceros franceses. En el choque los dos escuadrones españoles, faltos de la protección que llevaban los coraceros, llevan la peor parte y se ven obligados a volver grupas perseguidos por los franceses. Se dirigen en tropel hacia la línea del Batallón de Barbastro. Se produce una confusa y sangrienta meleé de jinetes españoles y franceses e infantes españoles, acuchillándose salvajemente entre sí. Por fin se rompe la línea de Barbastro y el tumulto se dirige hacia una segunda línea española formada por el 3er. Batallón de Guardias Valones y los Regimientos de Infantería de la Reina y de la Corona. Los infantes españoles se ven forzados a disparar contra la confusa meleé para sostener la posición, en cuyas proximidades prosigue el combate a pie y a caballo.

Por fin se retiran los coraceros franceses dejando numerosas bajas tras de sí.

Mientras tanto, el combate había llegado al Cerro de la Harina, a tres kilómetros al suroeste de Bailén y de nuevo la línea española amenazaba con envolver a los franceses. El general Gobert envió otra vez a sus coraceros para proteger su infantería, y resolvió ponerse él mismo a la cabeza de sus jinetes. Pero una bala le impactó en la cabeza derribándole del caballo y matándolo. Tomó el mando de las fuerzas francesas el general Dufour, que vió salvada la peligrosa situación de sus tropas debido a la impetuosa carga de los coraceros, mandados por el general Lagrange y el mayor Christophe, y que fue finalmente desbarataba con grandes grandes pérdidas gracias al nutrido fuego de los infantes españoles.

Al llegar a este punto, el general Réding no se atrevió a continuar con el ataque porque se sentía poco apoyado por el general Coupigny y porque temía que el general Vedel apareciera de pronto por su flanco izquierdo.

A las dos de la tarde concluyó el combate. El general Dufour se mantuvo en el Cerro de la Harina, y el general Réding regresó a Menjíbar.

Las bajas españolas ascendieron a 35 muertos y 131 heridos.

Las bajas francesas debieron ser bastante superiores, pero no hay datos fidedignos sobre las mismas. Entre los muertos destaca la pérdida del general Gobert, jefe de división de Moncey operando temporalmente a las órdenes de Dupont.

La consecuencia más inmediata del Combate de Menjíbar fue que el general Dupont se dio cuenta de su error al menospreciar la amenaza española en Menjíbar, y resolvió ordenar a Vedel que regresara de inmediato con sus recién llegadas tropas a Bailén para expulsar a los españoles de Menjíbar y asegurar junto con las tropas de Dufour el paso de Despeñaperros.