鄭成功佔領赤嵌樓後，即分兵從水陸兩個方面進攻台灣城，首先佔領台灣城的外市區，困守在台灣城內的荷蘭侵略者一片混亂，退據堡壘，企圖繼續頑抗。為了減少損失，鄭成功派人送信給揆一，想爭取他自動放下武器，獻城投降。揆一見情勢不妙，陰謀玩弄緩兵待援的詭計。他向鄭成功表示願意年年納貢，並獻上犒師銀10萬兩，要求鄭成功退兵。但這種妄想長期強佔台灣的卑鄙伎倆，遭到了鄭成功的斷然拒絕和嚴正斥責。鄭成功正告荷蘭侵略者：「台灣一向屬於中國，很早以前就為中國人所經營，現在我親自前來索取，來自遠方的荷蘭人，自然應該把台灣歸還給主人。如果進行頑抗，我將被迫用最大的力量來實現收復台灣的主張，到時荷蘭的東印度公司必須承擔這次戰爭的全部費用。」明確地指出了中國人民收復國土的嚴正立場。同時，鄭成功也看得很清楚，如果不給侵略者點厲害，敵人是不會投降的。鄭成功下令向台灣城發動猛攻，炮擊達四小時之久，台灣城的胸牆受到嚴重破壞，擊傷許多荷軍。但由於台灣城是用糖水調灰壘磚築成，厚處達六英尺，加上荷軍火炮密集，一時不易攻破。為了減少戰士傷亡，鄭成功決定採取長圍久困、且耕且戰的方針，斷絕台灣城對外陸上的交通，等待城中糧盡，迫使荷軍出來投降。
在圍困台灣城的同時，鄭成功為了解決軍糧補給問題，一面派遣楊英和何廷斌深入各鄉、社查抄荷軍所藏米粟，一面不斷派人回金門運糧。同時還命令圍城部隊實行就地屯墾，全體官兵「有警則荷戈(武器)以戰，無警則負耒(農具)以耕」，自己動手生產，解決糧餉，嚴禁侵犯民田，這些措施深深地受到台灣人民的擁護。台灣城附近的高山族人民紛紛前來歡迎和援助鄭成功，配合鄭成功大軍打擊敵人。有一次，有14名荷蘭士兵流竄到新港地方，高山族人蜂擁而上，把他們全部消滅掉。台灣人民還給鄭成功通風報信，並引導鄭軍堵塞台灣城的水源，來坐困敵人。由於台灣同胞的擁護和支援，鄭成功大軍前進道路上的障礙被掃清了。
荷蘭殖民者在滅亡之前，依然企圖進行絕望的掙扎。他們從巴達維亞派來一支包括10艘兵船、700名士兵的援軍，由大將卡尤率領。鄭成功命令部將率領大隊戰船，奮勇衝殺，把敵人打得焦頭爛額，狼狽不堪。這一次戰鬥共繳獲敵人戰船二艘，炮艇三艘，擊斃、殺傷和俘虜敵軍480名，殘兵狼狽逃往遠海。
在鄭軍的圍困之下，台灣城的荷蘭侵略軍由於疲憊和飢餓，兵士患血痢、壞血症、水腫等疾病，每天都有死亡，戰死和餓死、病死的達1600餘人，最後城中僅剩下600名可以參加戰鬥的士兵。鄭軍則進行休整，不斷加築工事，架設巨炮，準備大舉攻城。城內荷軍待援無望，士氣更加低落，為了活命，陸續「投奔」鄭軍，鄭成功從降兵口中了解到荷軍設防情況，進一步修訂了攻城計畫。
十二月初六日(公元1662年1月25日)，鄭成功下令發動最後總攻擊。鄭軍不顧荷蘭殖民軍的頑抗，經過兩小時的炮擊，終於奪取了台灣城的外堡，完全截斷了台灣城的對外交通。揆一在水源被斷絕的情況下，走投無路，只好掛起白旗，向鄭成功乞降。十二月十三日(公元1662年2月1日)，揆一在投降書上簽字，向鄭成功交出台灣城及大炮、糧食和其他軍用物資。幾天後，他率領殘兵敗卒和官吏商人，灰溜溜地滾出了台灣。至此，淪陷了38年的我國領土台灣，重又回到祖國的懷抱。鄭成功驅逐荷蘭侵略者收復台灣的偉大鬥爭，終於取得了最後的勝利。鄭成功驅荷復台的英雄業績，將彪炳史冊，永遠為後人所紀念！