鄭成功在鎮江耽擱了11天，兵至南京城下多日又圍而不打，給清軍提供了喘息時間。
南京本來是一座“城大兵單”的戰略要地。在鄭成功出師北征之前，清軍主力大多集中在西南戰場，攻打李定國，無力北顧。盡管南京守將乘鄭軍羊山遇險後的大半年時間加緊了備戰，但仍然沒有重兵集結。直到鄭軍兵臨城下，清軍各地援兵才源源入城。清將管效忠從鎮江逃入南京後，同江南總督郎廷佐急忙向清廷求援，奏書稱：“南都危如累卵，乞發大兵，南下救援撲滅，免致燎原滔天”。順治帝聽到鄭軍圍攻南京的消息，引起巨大震動，甚至極欲撤退至盛京（今沈陽）。受到皇太後訓斥後，轉為暴怒，拔劍大呼禦駕親征。鄭成功獲得了這一重要情報，但沒有乘勢立即攻城，反而說：“似此，南都必降矣！”
七月十一日，郎廷佐與管效忠遣使至鄭軍大營施展緩兵之計。聲稱：“大師到此，即當開門迎入。奈我朝有例：守城者過三十日，城失，則罪不及妻孥。今各官眷口悉在北京，乞藩主寬三十日之限，即當開門投降。”鄭成功信以為真，且趾高氣揚地說：“本藩攻此孤城，不過一腳尖爾！”逐允準守軍寬限30日後再降。
清使離去後，參軍潘庚鍾向鄭成功進言，指出：“此乃緩兵之計，不可憑信，可速攻之！”鄭成功反駁說：“自舟山興師至此，戰必勝，攻必取，彼焉敢緩吾之兵耶？”潘庚鍾想引經據典，說服鄭成功，勸道：“孫子有雲：辭卑者，詐也；無約而請和者，謀也。欲降則降，豈戀內顧？決是城中空虛。”然鄭成功仍是無動於衷。
出師皖南的張煌言，馳書勸說鄭成功急速攻城。一再提醒：“兵貴神速”，“遲拙非策”。
大將甘輝等急不可耐，紛紛來見鄭成功，勸告：“大師久屯城下，師老無功。”
但一切忠告，都被鄭成功拒絕了。他以為南京守軍已成“甕中之鱉”，其投降隻是時間遲早罷了。在統帥的錯誤言行影響下，鄭軍官兵忙於籌備慶賀藩主的35歲生日（七月十四日），前陣統領餘新及其所部，釋戈開宴，以飲酒捕魚為樂。當時，炎熱的天氣灼人，廣大官兵無所事事，營壘常空，鬆懈了鬥誌。鄭成功對此聽之任之，盡情地陶醉於已取得的勝利之中，把主要精力放在拜謁明孝陵、準備慶賀誕辰等項非戰事之上。
形勢的發展越來越不利於鄭軍。清總兵官梁化鳳率領精兵8000，從崇明趕來南京增援，於七月十五日從城東、南門入城。另外，清軍收容附近州府兵3萬人，征集鄉勇2萬人，數日間，南京守兵猛增至5萬餘人。七月十六日，城內守軍派遣一支小隊，殺出儀鳳門，襲擾鄭軍，抓了幾個俘虜即返回城中，這實際上是武裝偵察。梁化鳳日夜在城上觀望、巡察，偶然在城東北角發現屯紮白土山下的鄭軍疲憊散亂。他想起此處原有一座城門，名曰神策門（今稱得勝門），因出入者少，便用土堵塞了。
梁化鳳命人把此門挖開，於二十三日夜三更時分，親率騎兵500，乘鄭軍不備，突然殺出城外，如神兵天降。鄭軍統領餘新所部人不及甲，倉皇迎戰，餘新被俘，兩名副將戰死。
鄭成功急令林勝、陳魁移師神策門外的白土山下，甘輝、張英率精銳設伏於白土山中，陳鵬、蔡祿來往接應，將大本營移至幕府山，準備迎擊清軍出城。
二十四日淩晨，清軍乘鄭軍移營之機，發起強大攻勢。梁化鳳、喀喀木等由陸路，官效忠、紮爾布巴圖魯等由水路，一齊殺出城門，鄭軍匆忙迎戰。梁化鳳在神策門南擊敗楊祖及前來增援的藍衍、楊正部，擊殺藍衍及司馬張應等鄭將。鄭軍擔任接應的陳鵬、蔡祿，因山道不熟，被梁化鳳各個擊破。甘輝、張英不見鄭成功發出約定信號，未敢輕動。陳魁急率身著重甲的“鐵人”兵5000赴援，因山地崎嶇，行動不便，被清軍一一捕殺，陳魁戰死。鄭成功見諸鎮力戰不支，便命潘庚鍾在大本營代理指揮，自帶隨從去江邊調動水師登岸助戰。時值江水退落，戰船無法靠岸，貽誤了戰機。鄭成功一去不返，潘庚鍾不熟悉指揮信號，隻是不停地揮動旗幟。各鎮將不見帥位信號，不敢輕動，互不應援，被清軍各個擊破。潘庚鍾、張英、林勝、張萬裏等將領先後戰死。甘輝殺敵數百後力盡被俘，不屈被殺。戰船500餘艘被清軍燒毀，有數萬官兵傷亡。鄭成功見敗局已定，遂下令各鎮官兵向鎮江方向撤退。