在洪、杨二人抵至长沙时，清朝官军已有三万多人。同时，还有两万多官军正赶往长沙。
新任湖南巡抚张亮基和新任湖南布政使潘铎都很卖力。他们冲破太平军的封锁入城后，加紧城防布置，并带去了两万多斤火药和两万多发弹丸，提高了长沙守军的防御实力。
在桂林称病不出的向荣（时为广西提督，但遭免职）此时也以大局为重，于10月2日十万火急赶至长沙。赛尚阿如获至宝，忙让这位有与太平军作战经验的向荣统领川、豫、陕等部来援清军。
此时，长沙城内高官云集，一群办事大臣中，共有两巡抚、两提督，总兵以下数十位，如临大敌（是真的“大敌”）。
清朝援军，如江忠源部，非常有实战经验。他们到长沙后即抢据城东南的蔡公坟高地，占据了有利地形，广设营盘，深掘壕堑，使得太平军不能围城围攻，只能在南城一隅屯结。而且，被围清军在援军抵达后，逐渐反守为攻，多次主动出击，烧毁了南门外不少太平军以为屏蔽的民房，给予对方极大杀伤。
向荣本人入城后，登上城东南最高的天心阁瞭望，然后指挥手下点放五十门大炮向城下太平军轰击，轰死成百成百的头裹红巾的太平军。此炮其实一直就有，但长沙当地兵将不知如何使用，也怕巨炮炸膛，还因为从未用过，没人敢放。向荣手下兵将有经验，填药后连连施放，炮声震耳欲聋……
洪、杨二人及主力军的到来，确实在短时间内使长沙战局出现某些改观。士气大振之下，太平军生力军立刻攻城，首要目标直抵城外战略据点蔡公坟。清将和春、江忠源等人率军力战，受到兵锋正锐的太平军的沉重打击，被杀数百人，江忠源本人被飞矛刺穿脚踝落马，几乎丧命。太平军虽小胜，但蔡公坟高地仍牢牢掌握在清军手中。
见南城不易攻入，杨秀清指挥七八千精兵绕路直扑东门。这些太平军绕道妙高峰，直扑浏阳门外校场，分三路进攻。和春、江忠源等人拦击，向荣从城内又发援兵，施枪放箭，迎面痛杀太平军。
见不能敌，太平军就由校场东首败去，清军紧追。
此时，太平军其实是佯败，他们有一种“伏地阵”战术，即：“但遇官军追剿，至山穷水阻之地，忽一旗偃，千旗齐偃，瞬息间万人数千人皆贴伏于地，寂不闻声。我军（清军）急追，忽见前面渺无一贼，无不诧异徘徊，疑神疑鬼。贼贴伏约半炊之顷，忽一旗立，千旗齐立。万人数千人，风涌潮奔，呼声雷吼，转面急趋以扑我兵，一疑不释，又增一疑，而益以一惊，其不转胜为败者鲜矣！”（张德坚《贼情汇纂》）
但太平军此次“伏地阵”用错了地方，他们只知身后有追兵，不知前面还有迎面而来的清军援军。几千太平军刚刚趴下不动，正好让自外而来的清军当成不动的靶子。一阵枪炮猛轰，立时打死大片，近千人的太平军登时成为鬼魂，余众逃归大营。
丧败之余，洪秀全、杨秀清等人发现硬攻长沙不能成功，在挖地道坚持攻城的同时，派石达开统两千多人渡湘水西进，以分散清军兵势。
此时，太平军腹背受敌，给养渐失，即使想突破反包围，也要扯开一个口子。湘水两岸物产丰饶，北可至常德，南可达宝庆，自可有迂回的余地。
清将也深知太平军企图，湖南巡抚张亮基与江忠源等人一直忧心忡忡。但时任统帅的赛尚阿本人在衡州，无人挑头，张亮基与向荣等人关系不睦，不能统一调动各军实现战略意图。
石达开不愧为天才干将。10月17日，他率兵渡至湘水西岸，连筑数垒，并收掠了阳湖晚稻为军粮，太平军军心稍固。同时，石达开命人在战略要地回龙潭筑堡垒，在水面多置木排、炮船，搭起浮桥，把粮食源源不断地送至长沙城下的太平军大营内。
控制了湘水西岸，其实预示着太平军可从“反包围”中逃出。即使长沙攻不下，他们也可安然而走。
咸丰帝闻讯震惊，连下数道谕旨，指示当地的官将必须先严剿西岸的太平军士兵。各处大员闻讯，立刻赶来会剿，连人在湘潭已被革职的“赛中堂”赛尚阿竟然也亲自出马，带领三千当地团练来进攻石达开。身任钦差大臣一年多，赛中堂第一次真正临敌。
由于太平军已经高筑堡垒，所以清军各部受挫。
清将向荣急红眼，在10月31日亲自统三千精兵，直攻湘江中间的水陆洲。此地如果被攻克，清军等于在太平军东西两岸打入一个楔子，使其首尾不能相顾，而湘水两岸的要地回龙潭等处就失去了战略意义。
对此，石达开早有准备。他初渡两岸时，已经留伏兵隐藏在水陆洲洲尾，藏于树林深处。向荣军队上洲后，时有零散的太平军出现诱敌。清军放枪施箭，太平军就躲入林中。向荣以为是敌人散兵，不以为意。
清军主力半渡之时，满树林的太平军忽然树立旗帜，大声呐喊，一齐杀出。清军惊溃，被杀近两万人，向荣和清朝的河北总兵王家栋幸亏马好，逃得性命。
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