1862年1月30日，清廷任命曾国藩为协办大学士，仍统辖苏、赣、皖、浙四省军事。曾国藩立即筹划以东征南京为主要目标的全盘军事行动。具体部署是：曾国荃部自安庆沿长江北岸直趋南京；曾贞干部由池州攻芜湖；彭玉麟等率湘军水师沿江而下，配合两岸陆师行动并负运输接济之责；鲍超部由赣入皖，攻宁国府；左宗棠部攻浙江，李鸿章部淮军攻上海周围的太平军，尔后西进。

1862年3月，曾国荃部离开安庆东下，拉开进攻天京的序幕。5月，湘军攻占当涂、芜湖、板桥、秣陵关、大胜关、三汊河。5月30日，彭玉麟率水师进泊金陵护城河口，曾国荃部直逼雨花台，曾贞干也率军赶到。天京处在湘军直接威胁之下。江南战场的主动权落入清军手中。

湘军迅速进抵天京城下，大出洪秀全意料。天天醉迷于美女、洋经的洪秀全如梦方醒，于是一日三诏催促李秀成从上海前线回援，李秀成只得停止进攻上海，退回苏州，派一部分兵力赶回天京加强防务，自己则仍留苏州。

1862年7月，天京外围形势更加严重。7月11日，西南屏障宁国府被清军攻破。杨辅清、洪仁玕从皖南回援天京，夜袭湘军，也被湘军击退。8月6日，洪秀全严诏催逼李秀成赶快回援。9月14日，李秀成无奈，只得集结堂弟侍王李世贤、护王陈坤书等十三个王爷，领兵十余万，由苏州出发，在东坝会齐，回援天京。

李秀成带领的太平军声势浩大，号称六十万。他们从苏州分三路出发，过溧阳，下溧水，越秣陵关，直杀雨花台，连营数百，层层排列，枪立如林，与天京城内的太平军把湘军夹在中间。但是，由于太平军回援速度不够快，围城的湘军已经建筑了防御阵地。

相比之下，湘军在人数上少得可怜。担任攻城主力的曾国荃部队只有三万多人把守在雨花台，曾贞干手下只有五千多人守大胜关、江东桥一带，彭玉麟的水师不到一万人，主要任务是保护粮道不失。更糟糕的是，湘军中疫病流行，病死兵士近三分之一。面对太平军的兵力优势，曾国荃等人只能强撑，拼死一战了。

1862年10月13日，李秀成指挥大军对湘军展开进攻。曾国荃深知硬拼不行，只有采用“笨办法”要求湘军上下严遵深沟高垒的“缩营自保”策略，只在太平军进攻时发炮还击，不得主动进攻。太平军使用人海战术，上去一批，被杀一批，均倒毙于湘军枪炮之下。就这样，太平军打了近十天，伤亡数万人，不见一丝战果。李秀成心里很着急，就集中洋枪洋炮，对雨花台的曾国荃部队展开交战以来最猛烈的攻势。

太平军将士人人头顶门板木片，蛇行而进，冒着枪林弹雨死冲湘军营垒。但刚刚接近，大多数人就丧命于枪炮之下。未死的太平军把战友尸体推入濠沟，塞填草束，准备踏尸踩草冲过去。曾国荃左腮中弹，一脸鲜血，仍旧骑马在营垒中四下驰骋，指挥湘军拼死顶住了太平军一轮又一轮的进攻。

双方交战正酣，太平军又添生力军。侍王李世贤率三万大军从浙江赶到，立即投入对雨花台湘军的围攻。太平军上用枪炮，下挖地道，迫使曾国荃不得不从西路抽出曾贞干手下的四千人来援，全力抵御太平军的明攻暗掘。

11月3日，李秀成、李世贤指挥军队猛攻，并用火药炸塌湘军两处营墙，排炮排枪与箭弩齐发。眼见数千呐喊的太平军已经杀入营垒，湘军上下急红了眼，深知今日不是你死就是我亡，但没有一个逃跑的，而是全体呐喊迎上前去。双方都杀红了眼。太平军往返冲杀五六次，终不得入。太平军又用地道向敌进攻，敌人以挖对挖，每挖通一处地道，或熏以毒烟，或灌以秽水，或以木桩堵洞口，使太平军的地道连连失效。

最后，太平军势竭了，英勇顽强的湘军在兵力悬殊的情况下成功地守住了大营。血战四十六天后，李秀成只得在11月26日下令撤围，率军自南门进入天京。李世贤率部退到秣陵关。至此，十三王回援天京的作战完全失败。

此次雨花台大战，太平军无论在人数、兵器、地势等方面均占绝对优势，湘军只是苦苦地被动死守而已。然而，昔日的太平军数千可敌数万，如今的太平军数十万却不能胜数万，完全是将骄兵疲的结果，终于导致了雨花台大战的失败。如果李秀成以优势兵力稳扎稳打，先断湘军粮道，在外围战场上稳固推进，最后再以优势兵力死攻曾国荃，湘军不败也难了。但李秀成过于急切，一上来把人往枪炮下面送，在湘军各垒前死伤无数，使士气大衰。等他想到要断敌粮道时，为时已晚。天京之围不解，他想早日返回苏南的愿望也落空了。