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Cuando la Guerra del Pacífico comenzó en 1879, Bolognesi, de 62 años de edad, se reincorporó al Ejército peruano y participó activamente en las acciones contra lasfuerzas chilenas, incluyendo en las batallas de Dolores y Tarapacá, en noviembre de 1879, en cuya acción participó a pesar de encontrarse débil. En abril de 1880,fue puesto al mando del puerto peruano de Arica.
Comandó a las fuerzas peruanas en Arica rodeadas por las tropas chilenas, tras la derrota y ocupación chilena enTacna.
Cuando los mensajeros de Chile exigieron la rendición de Arica, debido a su enorme diferencia numérica de soldados, armamento y logística; él respondió:«Tengo deberes sagrados que cumplir y los cumpliré hasta quemar el último cartucho» y repitió su respuesta en presencia de sus oficiales y con la completa afirmativa deestos.
Tras varios días de sitio, bombardeos y tras numerosas bajas recibidas en el intento chileno de acercamiento a las defensas peruanas por mar, estos acuerdanun ataque final masivo terrestre. El 7 de junio de 1880, se desata la Batalla de Arica con un asalto nocturno por el sector este de la ciudad. Donde pierden lavida casi 1500 soldados de ambos bandos. El coronel Bolognesi murió en la cima del morro de un culatazo enemigo, sus restos fueron defendidos por sus soldados hasta elexterminio de estos y la captura del cadáver del héroe.
Los hijos de Bolognesi, Enrique y Augusto también lucharon en la Guerra del Pacífico, y murieron mástarde, durante la Batalla de San Juan y la Batalla de Miraflores en Lima.
Sus restos se encuentran en la Cripta de los Héroes del Cementerio Presbítero Maestro.