鄭成功大軍包圍了南京城，並重申《搶掠奸淫軍令》，強調軍隊的紀律。南京城下旌旗飄動，金鼓齊鳴，一派雄武氣象。
鄭成功大軍包圍南京，江南各地為之震動。負責江寧駐防的管效忠不敢出戰，緊閉城門防守待援。
南京城裏已慌了手腳。鄭軍從捉到的一名從南京出來送情報的人員那裏，了解到城中的情況。原來南京總督管效忠自鎮江敗回後，知道鄭軍即將進攻南京，便日夜督理防城器械，並派人前往蘇、鬆等處求取援兵，同時向北京清廷緊急奏報求援。
城中守軍已被嚇破了膽，奏報中稱海師20餘萬，戰船千餘艘，俱全身是鐵，箭穿不透，刀斬不入。從瓜洲、鎮江敗回的兵將，仍然驚魂未定。指揮戰局的人也一籌莫展，不知如何是好。
鄭成功得到這個情報非常高興，他說：“城內到了這種程度，南京一定會投降的！”鄭成功命人起草了一份勸降書，指出南京的困難，勸其投降，隨後將信綁在箭上射入城中。
七月十二日，鄭成功率文武官員拜祭大明太祖朱元璋。江風習習，鬆濤浩浩，鄭成功與諸將全身縞素，向孝陵方向跪拜。鄭成功淚流滿麵，諸將也無不哭泣。
在一片得勝聲中，諸將紛紛請求早日攻城。大將周全斌說：“如今已占領瓜洲，用兵貴在神速，如果一鼓作氣將南京拿下，將皇帝迎駕過來，那麼中興大明便指日可待了。”大將甘輝說：“大軍在城下駐紮太久，容易失去銳氣；而且日久如果清軍援軍一到，要多費一番功夫。請求您快一點指揮攻城。”鄭成功卻另有一番考慮。他認為清軍懼怕鄭軍，即使不降也會逃走，而不必勞師攻城，造成太多的殺戮，使南京百姓也跟著遭殃。
鄭成功在這件事上犯了戰略上的錯誤。他錯估了當前的形勢，被以前所取得的勝利衝昏了頭，而自以為清軍必然或降或走。
當然，鄭成功不急於攻城，也有其他方麵的原因。此如當時的槍炮尚不十分充足，其他各路抗清兵馬尚未到來等。正是由於他的過於自信、過於慎重，失去了攻下南京城的大好時機，導致了這次北伐的失敗。
還有一種說法，說是鄭成功中了城內清軍的緩兵之計。說城中守軍答應30日後獻城，因為30日內守城者失城，會累及家眷。這種說法是不可信的。首先，尚沒有從別處見過清方關於“守城三十日失守，不再罪及妻孥”的記載，其次，鄭成功不會輕信守城者沒有實際行動的承諾。
江南各處不斷有歸附鄭軍的官兵，從形勢上看鄭軍的威望與日俱增。然而鄭軍也正在不知不覺中喪失了自己的優勢。
鄭成功傳令各提督統領，限令二十二日安炮攻城。
然而清兵援軍已開始向南京集中，總兵梁化鳳於十五日自崇明赴援，突圍入南京城，與城中守軍合為一股，加強了防守力量。
二十一日，鄭軍截獲了城中的塘報，說各處清兵已經齊集南京，欲來衝殺，與鄭軍一決勝負。鄭成功布置軍隊迎戰清軍。
二十二日中午，雙方炮戰正式打響。清兵在儀鳳門安置火炮，與鄭軍前鋒陣對擊，鄭軍的炮架設在路口，全被擊碎，官兵無立足之處。接著清軍擁大隊衝出城來，也有的從屋頂上衝下來，鄭軍救應不及，前鋒鎮餘新、左營董廷，和大小將領官兵全軍被殲。中衝鎮副將蕭拱柱也陣亡，蕭拱宸浮水而逃。清兵趁勢蜂擁出城紮營。
首戰遭受挫折，鄭成功當晚重新布置了兵力，傳令抽兵駐紮觀音山待敵。鄭成功的部署是：
左先鋒鎮楊祖，統援剿右鎮姚國泰，後勁鎮楊正，前衝鎮藍衍屯紮大山上，做犄角應援；
中提督、五軍，伏在山內；
左武衛、左虎衛，列在山下迎敵；
鄭成功督右虎衛、右衝鎮萬祿，在觀青門往來應援；
後提督、宣毅左等堵禦大橋大路；
右提督、宣毅後鎮、正兵鎮，由水路抄躡敵後；左衝鎮專理水師，防止敵兵由水路抄來。
鄭成功的這個布陣犯了嚴重的錯誤。他將兵力分散於難於及時救援之地。一旦一路遭到清軍優勢兵力的攻擊，其他各路很難及時趕到救援。
這天晚上，清兵乘勝逼近鄭軍營地紮營對壘。
二十三日辰時（上午9點左右），清兵大隊人馬數萬人從山後抄出，南衝左先鋒鎮之營，但鄭成功已傳令中軍營，無令不許輕戰，而山上山下又隔遠不見，隻聽清軍的衝殺聲。清兵動用了全部的攻堅器械，炮火交集，鄭軍無處容足。清軍一齊下馬死拚，鄭軍將士冒死迎戰。鄭成功派遣右衝鎮、右虎衛鎮前往援助，但山高爬不到，左先鋒寡不敵眾，已被清軍殺敗。前衝鎮藍衍戰死陣中。清兵乘勝從山上衝下，中提督、五軍等在山內被圍，死戰不得突圍相繼陣亡。左武衛、左虎衛在山下整軍死拚，但大勢已去，獨立難支，也終於被殲滅。後提督堵禦大橋頭，遭到清兵首尾夾擊，被殲滅。
鄭成功見敗勢已定，便指揮軍隊撤退到船上。清軍水師這時也攻擊過來，左衝鎮一麵堵截反攻，一麵保護其他官兵撤離。清兵畏懼鄭軍的水師，不敢輕易再戰，因為水戰是鄭軍的優勢。
當晚，鄭成功傳令撤往鎮江，並讓左衝鎮、宣毅後鎮殿後，並援救從戰場上逃回的士兵。
鄭軍官兵陸續從水路陸路逃回的很多，但檢查軍隊，不見大將甘輝、萬禮、林勝、陳魁、張英、藍衍，副將魏標、樸世用、洪複，戶官儀衛等人。北伐的17萬大軍也傷亡過半。鄭成功不覺放聲大哭“今日慘敗，實乃我一人的罪過，成功有何麵目再見東南父老！”
10餘年來日夜思慮謀劃的北伐壯舉，就此以慘敗結束了。鄭成功的中興事業，受到了嚴重挫折。