許遠為人寬厚，擅長統籌後勤、管理糧草軍械，自知排兵佈陣、奇襲破敵的能力遠不及張巡，當即當眾放權：“我不擅長行軍作戰，守城軍務排程，全部交由張公決斷，我只管後方補給，絕不拖後腿。”
自此二人同心協力，分工明確，張巡全權負責所有攻防戰術、領兵出戰，許遠安撫百姓、管控糧草、修繕城防，麾下雷萬春、南霽雲兩員猛將，更是勇冠三軍，成為破敵核心力量。
尹子奇依仗兵力優勢，不分晝夜輪番攻城，一日之內發起十數次衝鋒，雲梯、衝車、投石機盡數上陣。張巡日夜登城，根據敵軍攻勢靈活調整戰術，敵軍白天猛攻，他便加固城牆、投放滾木雷石；深夜敵軍鬆懈，他便派遣精銳出城劫營，短短數月，大小四百餘場戰事，六千八百守軍累計斬殺、俘虜叛軍十二萬餘人，極大挫傷叛軍銳氣。
尹子奇為人狡詐，每次親臨前線指揮，都會安排數名身著同款鎧甲、騎同款戰馬的將領隨行，讓唐軍無法分辨主將位置，難以實施斬首突襲。張巡思索許久，定下一條刺殺計策。
兩軍對陣之日，張巡命令士兵削野蒿製成箭矢，朝著叛軍陣地射出。叛軍士兵撿到蒿草箭矢，大喜過望，誤以為城中箭矢徹底耗盡，連忙拿著蒿箭跑到尹子奇面前邀功。
尹子奇正檢視蒿箭之時，城樓上張巡一眼鎖定目標，當即傳令神箭手南霽雲放箭。
南霽雲拉滿硬弓，一箭精準射出，直接刺穿尹子奇左眼。
劇痛之下尹子奇當場倒地，叛軍陣營瞬間大亂，張巡趁機開城門領兵衝殺，叛軍潰敗逃竄，傷亡慘重。身受重傷的尹子奇氣急攻心，卻依舊不願放棄睢陽，一面休整部隊，一面持續圍困城池，斷絕睢陽所有對外通道。
圍城日久，城內糧草危機逐步爆發。
睢陽原本儲備六萬石糧食，足夠全城士兵支撐一整年，可此前節度使虢王李巨強行調走一半糧草，送往濮陽、濟陰兩座城池，許遠當時極力勸阻，李巨拒不採納。可笑的是，濟陰拿到糧草之後，立刻開城投降叛軍，白白損耗守城儲備。
到當年七月，城中存糧徹底見底，朝廷援軍遲遲不見蹤影，士兵每日只能分到一勺糙米，糙米吃完，只能煮樹皮、撕碎盔甲皮革、焚燒紙張充飢，大量士兵長期飢餓，渾身浮腫、傷口潰爛，連拉弓舉刀的力氣都漸漸喪失。
眼看著士兵不斷餓死，能作戰的精銳越來越少，張巡深知再無糧草支撐，城池撐不過十日，只能派遣麾下最勇猛的南霽雲，率領三十名精銳騎兵，拼死衝出重圍，前往臨淮向河南節度使賀蘭進明求援。
南霽雲帶著三十騎死士，硬生生衝破叛軍層層封鎖，一路浴血抵達臨淮，拜見手握重兵的賀蘭進明。可賀蘭進明素來嫉妒張巡、許遠立下赫赫戰功，擔心睢陽解圍之後，二人功績蓋過自己，始終不願調撥一兵一卒前往支援。
賀蘭進明愛惜南霽雲勇武過人，有心將這名猛將收歸自己麾下，特意置辦豐盛酒席、安排樂舞表演，宴請南霽雲，企圖用榮華富貴留住他。滿桌珍饈美酒，絲竹之聲不絕於耳，南霽雲看著眼前宴席，心中悲痛難忍，放聲痛哭。
他起身對賀蘭進明直言：“我從睢陽突圍之時，城中軍民已經整整一月沒有完整糧食，士兵啃樹皮、百姓易子相食，我縱然有心享用這桌宴席，道義上實在難以下嚥！睢陽危在旦夕，還請將軍出兵救援，若睢陽失守，叛軍順勢南下，下一個遭到圍攻的便是臨淮，唇亡齒寒，將軍切莫因私怨坐視大唐疆土淪陷！”
一番懇切勸說，賀蘭進明依舊不為所動，只反覆勸說南霽雲留在身邊，許諾高官厚祿。南霽雲看清對方絕不會出兵，心中悲憤交加，拔出腰間佩刀，當眾斬斷自己一根手指，鮮血順著指尖不斷滴落，舉著斷指對滿堂賓客說道：“今日我未能完成求援使命，便留下一根手指，證明我來過此地，回去之後，我必將與睢陽全城軍民共存亡！”
在場所有賓客目睹慘烈一幕，無不心生酸楚，默默落淚，可賀蘭進明始終無動於衷。南霽雲知曉再勸說也是徒勞，轉身策馬離開臨淮城，出城之前，他抽出一支箭矢，射向城中佛塔牆面，箭矢深深嵌入磚塊大半，立下誓言：“等我破賊歸來，必定消滅賀蘭進明，這支箭就是今日的憑證！”
離開臨淮，南霽雲四處奔走求援，許叔冀、尚衡等手握兵力的地方將領，全都各保地盤，冷眼旁觀，沒有一人願意出兵。萬般無奈之下，南霽雲只能在真源縣就地招募一千新兵，帶著少量牛羊糧草折返睢陽。返程途中遭遇叛軍截殺，一路血戰，最終只有不到一千人成功衝入睢陽城。
援軍寥寥無幾，城內百姓、士兵得知各地諸侯全都坐視不救，卻沒有一人萌生投降的念頭，所有人心中清楚，一旦睢陽陷落，江南數百萬百姓都會落入叛軍屠刀之下，與其苟且偷生做亡國奴，不如死守城池拼至最後一刻。
圍城進入第八個月，城內馬匹全部宰殺吃完，麻雀、老鼠被捕捉一空，樹皮、紙張、皮革消耗殆盡，城中隨處可見餓死計程車兵與百姓，活著的人全都瘦骨嶙峋，站立都需要依靠牆壁支撐，一場持續千年爭議的悲劇，在絕境之中被迫上演。
張巡召集尚且保有行動能力的將士，牽出自己相伴多年的愛妾，當著全軍將士的面開口：“諸位將士為國堅守城池，忠義之心從未動搖，整整數月忍飢挨餓，我只恨不能割下自身血肉分給大家充飢，如今怎會吝惜一名女子，眼睜睜看著各位餓死？”
話音落下，他親手下令斬殺愛妾，烹煮之後分給將士食用。在場將士全都淚流滿面，不忍心下嚥，張巡強令眾人分食，以此維持僅剩的戰力。太守許遠緊隨其後，殺掉家中僕從供給士兵。主帥帶頭之後，為保住守城精銳，只能搜尋城中老弱婦女充飢，婦女吃完，再搜尋年老體弱男子。
《舊唐書》《資治通鑑》明確記載，圍城末期，城中老弱婦孺被分食者多達三萬餘人。這段史實，千百年來不斷引發激烈爭論，有人指責張巡殘忍無道，以人為糧違揹人倫；也有人讀懂絕境之下別無選擇，一旦開城投降，叛軍屠城、江南淪陷，死去的百姓將會數百萬計。
張巡並非天性冷酷嗜血，只是在“犧牲一城老弱保全天下”和“放棄防線任由叛軍屠戮半壁江山”之間，被迫做出了最沉重、最揹負罵名的抉擇。他主動扛下所有千年罵名，只為拖住叛軍主力，給朝廷爭取反攻的寶貴時間。即便做出如此慘烈的犧牲，全城軍民知曉註定身死，依舊沒有一人翻城投降，直至城破，忠於大唐的信念從未崩塌。
至德二載十月，睢陽被圍困整整十個月，城中原本近七萬軍民，經歷飢餓、廝殺之後，僅剩四百餘名虛弱士卒，所有人都身患傷病，餓到連拿起兵器的力氣都沒有。叛軍發起總攻，攀爬上殘破的城牆，守軍無力抵抗，睢陽城最終陷落。
城破之時，張巡朝著長安方向跪拜兩次，高聲告白：“臣力量耗盡，沒能守住睢陽，活著無法報答陛下，死後也願化作厲鬼，繼續誅殺逆賊！”話音未落，張巡、許遠、南霽雲、雷萬春等三十六名核心將領盡數被叛軍俘虜。
尹子奇見到渾身瘦弱、滿身傷痕的張巡，心中依舊記恨左眼重傷之仇，開口詢問：“聽聞你每次上陣督戰，怒吼之時眼眶崩裂流血，牙齒盡數咬碎，為何對我恨意如此深重？”
張巡目光銳利，厲聲痛罵：“我一心想要吞滅你們這群叛國逆賊，只可惜力量不足，才落到如今地步！”
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