攻克常州、无锡后，第七军团稍作休整，便沿着京杭大运河向天京推进。沿途州县的太平军守军早已听闻苏南大败的消息，要么望风而降，要么弃城而逃，大新军队如入无人之境，仅用五日便抵达天京城下。天京作为太平天国的都城，城墙高达三丈，周长数十里，城外环绕着宽阔的护城河，河上仅有三座浮桥可供通行，易守难攻。洪秀全调集了城内所有残余兵力，共计三万余人，其中能战之兵不足一万，多为陈玉成突围带回的残部与天京卫戍部队，其余两万余人皆是临时征召的百姓，手中仅有大刀、长矛等简陋武器，少数人配备了线膛燧发枪。
石达开与吴天勇抵达天京郊外后，立即召开军事会议。中军大帐内，沙盘上清晰地标示出天京的城防部署：东门、南门、西门防守最为严密，各有五千守军，城头架设了大量前装滑膛炮；北门防守相对薄弱，仅有三千守军，且护城河较窄，便于架设云梯。“洪秀全的心思很明显，想要依托坚固城防与护城河天险，死守待援。”石达开指着沙盘说道，“但他不知道，各地援军早已被我军牵制，天京已是一座孤城。”
吴天勇接过话头：“我建议，采取‘围三缺一’的战术。东门、南门、西门全力强攻，集中炮火炸开城墙缺口；北门则网开一面，留出突围通道，待敌军突围时，再设伏歼灭，可减少我军攻城伤亡。”
军团主参军补充道：“中路的十门‘虎啸二型’后装炮与八门前装线膛炮，可分别部署在东、南、西三门之外，重点轰击城墙中段，炸开缺口；后装枪部队负责压制城头火力，为步兵攻城扫清障碍；前装枪部队携带云梯、浮桥组件，待缺口炸开后，迅速渡河攻城。”
石达开颔首赞同：“就按此计划部署！吴天勇率右路一万五千人，主攻东门；我率左路一万五千人，主攻南门；中路一万五千人分为两部，一部主攻西门，一部在北门外设伏，伺机歼灭突围之敌。明日黎明，全军发起总攻！”
军令传下，第七军团迅速展开部署。东门外，吴天勇将四门“虎啸二型”后装炮与三门前装线膛炮架设在高地，炮口直指东门城墙中段；后装枪部队呈散兵线展开，距离护城河千米处构筑火力点；前装枪部队则携带浮桥组件与云梯，在炮火阵地后方待命。南门外，石达开的部署与东门如出一辙，四门“虎啸二型”后装炮与三门前装线膛炮对准南门城墙，士兵们摩拳擦掌，等待着进攻的号角。西门外，中路部队的两门“虎啸二型”后装炮与两门前装线膛炮已架设完毕，虽炮火数量较少，但足以对西门城墙造成威胁。北门外，中路剩余的兵力隐蔽在两侧的树林中，后装枪部队占据高地，前装枪部队则在道路两侧挖掘战壕，形成口袋阵，静候敌军突围。
次日黎明，天还未亮，攻城的号角便响彻天地。“开火！”随着石达开的一声令下，南门外的七门火炮同时轰鸣。“虎啸二型”后装炮以每分钟五发的速度倾泻榴弹，炮弹精准砸在南门城墙中段，砖石飞溅，城墙在冲击力下不断崩塌；前装线膛炮则发射实心弹，对着城墙缺口反复轰击，扩大缺口范围。城头上的太平军守军纷纷缩在城垛后，不敢轻易探身，他们的前装滑膛炮射程不及，炮弹大多落在城外，根本无法对大新的炮兵阵地造成威胁。
东门外，吴天勇也下令炮火轰击。四门“虎啸二型”后装炮的威力更为惊人，仅一刻钟，东门城墙便被炸开一道宽约十米的缺口。“后装枪部队，压制城头火力！”吴天勇高声下令，数千支后装枪同时开火，弹幕如墙，将城头试图反击的太平军士兵一一射杀。一名太平军炮手刚点燃滑膛炮引信，便被两发连续射出的子弹击穿胸膛，炮身也被随后而来的榴弹炸毁。
西门外的炮火虽少，却也精准高效。两门“虎啸二型”后装炮与两门前装线膛炮交替轰击，城墙中段很快出现一道窄小的缺口，虽不足以让大部队入城，却也牵制了西门的守军，让他们无法增援其他城门。
“前装枪部队，架设浮桥，准备攻城！”石达开见南门城墙的缺口已扩大至十五米，当即下令。前装枪士兵们推着浮桥组件，冒着城头零星的炮火，迅速冲向护城河。他们动作娴熟，仅用十分钟便架设起两座浮桥。“冲锋！”随着连长的一声令下，士兵们踩着浮桥，挥舞着云梯，朝着缺口冲去。
城头上的太平军见状，纷纷挥舞着大刀、长矛冲来，试图堵住缺口。石达开麾下的后装枪部队立即加大火力，子弹如雨点般落在缺口两侧，将冲来的太平军士兵成片射杀。前装枪士兵们趁机爬上城墙，与残余的太平军展开肉搏。一名大新士兵刚登上缺口，便被三名太平军士兵围攻，他侧身躲过刀锋，手中前装枪的枪托狠狠砸在一名敌军头上，随后拔出刺刀，刺穿了另一名敌军的胸膛，第三名敌军见状吓得转身就跑，却被后方的士兵一枪击毙。
东门外的攻城战同样激烈。吴天勇率部冲过浮桥，后装枪部队在城下提供火力掩护，前装枪部队则沿着缺口登城。陈玉成亲自在东门督战，他挥舞着大刀，嘶吼着下令：“守住缺口！谁敢后退，立斩不赦！”可太平军士兵早已士气低落，面对大新军队的猛烈攻势，根本无法组织有效的抵抗。一名后装枪士兵连续射击，五发子弹击毙五名太平军士兵，随后装上刺刀，冲入人群，如入无人之境。
激战至午时，东、南两门的城墙缺口已被大新军队牢牢控制，士兵们源源不断地入城，与太平军展开巷战。天京城内的街道狭窄，房屋密集，太平军依托民房顽抗，却根本无法抵挡后装枪的射速优势。大新士兵以十人为一小组，交替掩护，逐街清剿，子弹不断收割着顽抗者的性命。一名太平军士兵躲在房门后，试图偷袭，却被一名后装枪士兵精准锁定，子弹穿透门板，将其击毙。
洪秀全在天王府内得知东、南两门失守，吓得魂飞魄散。他深知，天京已经守不住了，若不突围，必将被大新军队生擒。“传我旨意！全军从北门突围，前往浙西与残余部队汇合！”洪秀全嘶吼着，带着后宫嫔妃与亲兵，朝着北门逃窜。
城内的太平军士兵见状，纷纷跟随着洪秀全向北门涌去。三万余人挤在狭窄的街道上，混乱不堪，有的士兵甚至相互踩踏，死伤无数。陈玉成试图组织抵抗，却被混乱的人流裹挟着，根本无法控制局面。
北门外，埋伏的大新军队早已严阵以待。“敌军开始突围了！”观察员高声喊道。中路指挥官当即下令：“后装枪部队，占据高地，密集射击；前装枪部队，守住战壕，防止敌军冲过！”
当洪秀全的亲兵率先冲出北门时，早已准备就绪的后装枪部队立即开火。密集的子弹如暴雨般倾泻而下，冲在最前面的太平军士兵成片倒下，鲜血染红了北门城外的土地。洪秀全吓得连忙躲在亲兵身后，催促着部队快速前进。可后续的太平军士兵源源不断地涌出，却被大新军队的火力死死压制，根本无法突破防线。
陈玉成看着眼前的惨状，心中满是绝望。他知道，突围已无可能，只能拼死一战。“弟兄们，跟我冲！”陈玉成挥舞着大刀，冲向大新军队的战壕。可他刚冲出几步，便被数支后装枪同时瞄准，子弹穿透了他的胸膛。陈玉成身体猛地一震，手中的大刀“哐当”落地，最终重重摔在地上，双眼圆睁，带着无尽的不甘与绝望。