丁奉被擒、徐盛敗走，江東全軍士氣受挫。周瑜面色沉冷，當即下令擂動戰鼓，大舉攻城。
隆隆鼓聲響徹曠野，數十架投石機被推至陣前，巨石呼嘯升空，接連砸向丹陽城頭。城垣、箭樓連連受創，磚石碎裂，塵土漫天飛揚。丹陽守軍早有防備，城上同樣列置數十架投石機，立刻發石還擊。空中石彈往來交錯，雙方投石器械各有損毀，操卒死傷不斷，城頭多處城垛崩裂，城下江東陣列亦亂象漸生。
江東大軍推著巢車、移動箭樓穩步向前，高處弓手輪番攢射。城上箭樓與女牆之後，守軍弓弩齊發，箭枝如雨，上下對射之間，不斷有人中箭倒地。
步兵緊隨其後蜂擁而上，大軍三面合圍城池，每一面城牆排布三四十架雲梯，梯架彼此間隔十餘丈，依次搭於城垣。士卒吶喊攀梯，發起一波波衝鋒。城上將士拋擲滾木、礌石、火油，斷梯、焚敵，全力阻截登城之人。兩軍在城牆上下反覆拉扯，首日激戰整整兩個時辰，江東始終未能踏上城頭，周瑜只得鳴金收兵，整軍休整。
此後一連三四日，江東每日如期列陣強攻，投石、遠射、梯攻迴圈往復，攻勢一日盛過一日。江東四萬將士雖仍有餘力，卻早已連日勞頓，身心疲憊；丹陽守軍憑城死守，神經始終緊繃，日夜輪值之下，眾人也盡顯倦態。
連日血戰，雙方傷亡不斷，攻城一方折損更重，傷亡比例大致達到一比一點五。江東四天下來損兵兩千餘人，城下屍骸層層堆積，城上守軍亦是帶傷堅守，整座丹陽城籠罩在濃烈的殺伐氣息之中。江東全軍一心撲在攻城之上，注意力盡數鎖在城牆，後方與側翼的戒備漸漸鬆懈。
城外十餘里的隱秘地帶，趙雲、秦瓊二人依早前約定，一直暗中觀察城下戰局。見江東人馬盡數擠在三面城牆之下，陣型臃腫、後路空虛，二人對視一眼，判定戰機已然成熟，當即傳令全軍行動。
九千騎兵先以緩速小跑穩步推進，一路斂聲藏形，悄然抵至距敵軍一兩裡之地。待到進入衝鋒範圍，諸騎士齊齊揚鞭抽馬，戰馬驟然發力，全軍轉為全速衝鋒。鐵蹄踏地之聲驟然轟鳴，滾滾煙塵翻湧而起，兩支騎軍分頭行動，趙雲領三千騎直衝東側敵陣，秦瓊領六千騎席捲西側與後路，鐵騎如同奔騰的洪流，直撲江東軍腹地。
正在攻城的江東士卒聽得身後震天動靜，轉頭望見漫天鐵騎奔襲而來，瞬間亂作一團。周瑜見狀只覺肝膽欲裂，急令軍中僅有的一千餘騎上前攔截，同時喝令後備士卒聚攏列陣，挺槍持盾倉促防禦。
江東騎兵數量有限，且連日隨軍奔波，戰力大打折扣，勉強列陣迎上。雙方騎馬相交，兵刃碰撞之聲刺耳作響，奈何對方騎軍兵精馬壯、氣勢如虹，江東騎兵支撐片刻便節節敗退，不少人落馬受創，根本擋不住這股衝鋒之勢。
全軍三面仰攻城牆，兵力本就分散，步兵們心慌意亂，各路將領連聲呼喝排程，也難讓陣型嚴整如初。原本攀著雲梯攻城的兵卒見狀，紛紛放棄登城，慌慌張張想要回撤整隊，可一切為時已晚。鐵騎已然撞入陣中，高速衝鋒的衝擊力豈是疲憊步兵所能抵擋，如同奔車撞入人群，盾牌、兵刃接連被撞飛，士卒成片倒地。僅有零星幾名江東勇士拼死上前阻攔，交手不過數合，便在馬踏刀砍之下再無生機。
騎軍衝破第一道防線後，並未止步，順著敵陣來回往復衝殺兩三趟。江東本就散亂的陣列徹底被撕裂，首尾不能相顧，全軍瀕臨崩潰。
城頭楚昀見敵軍陣型大亂，當即下令開城出戰。東西兩處城門同時開啟，冉閔、羅士信各領一路，合計一萬步軍湧出城外，高順麾下一千重甲步兵留守城內，繼續鎮守城防。
城外江東軍腹背受敵，前方有出城步軍壓來，後方有鐵騎往來衝殺，徹底失去抵抗之力。周瑜身邊親衛連忙護著他調轉馬頭突圍，主將一退，剩餘潰兵更是四散奔逃。
騎兵乘勝追襲，戰馬連續疾馳、反覆衝殺，漸漸體力不支，速度慢慢放緩。不少江東步兵藉著地形與同伴掩護，趁機拼命逃竄。四萬江東大軍一路遭襲追殺，最終僅有數千人僥倖逃出戰場，後續陸續收攏殘部，合起來也不過萬餘人。餘下兵卒或是戰死，或是丟械被俘，丹陽城外數十里，遍地皆是遺棄的軍械與屍身。
