郑军包围南京

北伐军水陆并进，不久，攻陷焦山和瓜州，攻占了长江的重要门户镇江及其所属诸县。清顺治十六年(1659年)六月二十六日，郑成功部前锋已至南京郊区，七月十二日，完成了对南京的围困。在此同时，张煌言率军沿江而上，占据太平、宁国、池州、徽州等四府三州二十二县。清廷知悉，举朝皆惊。

顺治帝惊怒异常，惊慌失措，扬言下令亲征。一旦南京再失，东南将不保。接下来，很可能整个长城以南的广大汉族地区都会反清。想到这里，顺治帝彻底乱了方寸，提出想回关外的东北老家避风头，遭到他的母亲孝庄太后痛骂。

清顺治十六年(1659年)七月初八，顺治帝命内大臣达素为安南将军，统兵增援江南。在郑成功兵临城下的时期内，南京城里空气紧张。八旗指挥官喀喀木担心城中的百姓为郑成功充当内应，想要大开杀戒，以绝后患。

经两江总督郎廷佐劝阻，才打消了这个念头，南京也避免了屠城惨剧。当时南京城中家家户户紧闭门窗，一片肃杀死寂，连鸡鸣狗吠的声音都听不到。城中粮价飞涨，百姓们又不敢出门买米，甚至有人因此饿死在家中。

清军反击

郎廷佐将南京城外靠近城墙的房屋烧毁，把近城十里之内的居民全部迁入城中。其次，贴出告示，安定民心，派兵严密查访，杜绝内应，并严惩乘机盗抢作乱之徒。最后加紧储备粮草，置办武器，搜集整修船只。此外，增修船桨、绳索等物品，招募舵公、水手，为将来的水陆反攻做准备。

而此时，郑成功在祭拜明孝陵的时候，也让将士们饮酒庆庆祝，被为一时的胜利冲昏头脑郑成功，被清军的诡计约降所迷惑，致使战事拖延了一月之久。而困守南京城里的清兵总督郎廷佐抓住郑军将士庆贺郑成功生日、“饮酒卸甲”、战斗意志松懈的有利时机，指挥清军水陆进袭。

清顺治十六年(1659年)七月二十四，清军南京最高指挥官喀喀木将八旗军和绿营军混合编队，陆上分为三路，水上另有一路，杀出城去，与郑军作最后决战，同时江苏巡抚蒋国柱遣兵赴援。其具体进攻方向如下：

第一路清军，从东北、正东、东南、正南、西南、西北六个方向围攻幕府山郑军主力。

第二路清军，从西面攻击幕府山。

第三路清军，从北面进攻幕府山，并伺机焚毁长江上的郑军船只，切断其退回江边的通路。

第四路清军，从水路出发，由提督管效忠率领，攻击郑军江面上的船只。

清军以火炮轰击郑军营寨，然后便直接展开冲锋，骑兵也都下马步行作战。不到半天时间，郑军多处营寨阵地相继被清军攻破，剩下的人马纷纷向江边溃散。郑军水师指挥黄安所部一面拼死抵抗，一面掩护岸上逃来的败兵和随军家眷们撤退，先后从水中救起数千名跳入江中逃回的郑军士兵。

激战中，郑军水师共损失了大小船只五百多艘。但他们最终抵挡住清军的水上攻势，掩护残余陆军撤到船上，避免了全军覆没的悲剧。

郑成功匆忙率领部队退回金门、厦门，张煌言孤立无援，也退走浙东，北伐终告失败。

两军损失

经过七月二十三、二十四两天激战，郑军的前锋镇、左先锋镇、援剿右镇、后劲镇、前冲镇、宣毅左镇、左武卫、左虎卫等陆军部队先后被重创或歼灭，其他部队也有多少不等的伤亡。

以每个镇的人数为两千五人来计算，郑军的损失至少在两万人以上。同时，还失去了提督、镇将等高级将领多人。这场战役是郑成功军事生涯中最惨重的一次损失。

而清军在南京之战中获得全胜，但也付出了相当高的代价。管效忠、梁化凤等清军将领都感慨，郑军是自己一生征战中遇到的最强对手。