1864年5月13日，曾国荃率领军部即将挖通攻打天京城的地道，恰逢此时，朝廷又给李鸿章发来了最后命令，让他不要拖延，务必放下手中的军务，火速赶往天京支援，天京覆灭就在眼前，朝廷兴奋不已，但是天京这颗毒牙不拔，朝廷就如同嗓子被卡住，非常难受。
李鸿章不敢违抗圣旨，只好派遣刘士奇炮队及刘铭传、潘鼎新、周盛波等27个营会攻天京，5月15日，曾国荃把李鸿章发来的出兵消息给手下的将士们看，他高声激励道：“他人至矣，艰苦二年以与人耶？”意思是我们辛苦了两年，现在别人要来抢夺军功了，你们愿意把两年的努力给他人作嫁衣裳吗？众人齐声吼道：“愿尽死力！”
紧接着，第二天，在曾国荃的倡导下，将领们纷纷签下军令状，署名顺序依次是朱洪章、武明良、刘连捷、李臣典、伍维寿、谭国泰、沈鸿宾、张诗日和罗雨春，九位大将誓死与太平军抗争到底，坚决要攻下天京。
当天中午，曾国荃下令引爆了围绕在天京城周围地道中的强力炸药，把城墙炸坏了二十多丈，巨大的余波扩散开来，很多士兵都受了伤，很多守城的太平军直接被炸死，一时间碎石乱飞。
李臣典充当先锋，带领手下率先闯进城，丝毫不顾身上的重伤，勇往直前。朱洪章率领“长”字营、“胜”字营和“焕”字营，从炸药轰出的缺口冲进城，守城的不断增援过来，慌忙之下从城头抛掷火药，企图依仗地形优势大面积炸死湘军，朱洪章的士卒死伤惨重，王绍羲等将领更是被太平军反咬一口，不幸阵亡。
接到前方传来的战情，曾国荃冷哼一声，吩咐先锋部队不要后退，趁热打铁，敢死队的责任就是要拼死冲锋陷阵，为后续部队赢得先机，期间有几名胆小的士兵准备逃跑却被彭毓橘和萧孚泗无情杀死，敢死队这才继续前进，从城墙缺口攻进了天京城，朱洪章命令队伍结成团，旋转前进，与沈鸿宾、罗雨春等人的部队集合，进而在天王府北部从中路前进，冲击打败了一批批太平军，攻势顺利猛烈；刘连捷、张诗日和谭国泰等人率领众部从右路进攻，一路冲向神策门，朱南桂等人从梯子上攀登城墙进入城内，一伙人合力先攻破了凤仪门；左路湘军分为两支，彭毓橘带领“慎”字营从内城杀向通济门，萧孚泗则带兵攻下了朝阳门与洪武门，守卫城墙的太平军太顽固，湘军将其全部斩杀。罗逢元从聚宝门杀入，李金洲从通济门杀入，陈湜和易良虎从旱西门和水西门杀入。黄翼升带领水师从东关攻入，一路上乘胜追击，阻杀了太平军的残余水军，从旱西门杀入，与陈湜会合。湘军一路高歌，攻破了天京的九座城门。
李秀成骑马带着幼主洪天贵福逃跑，却在中途遇上了陈湜部众，身边带着幼主无法恋战，只好掉头逃往清凉山，遣散了身边引人注目的部队，躲在平民家里。
黄昏时分，太平军早已溃不成军，四散逃走，淮军对其疯狂剿杀，太平军放火烧掉了天王府，突围而出，他们宁可毁掉天王府中的宝物也不愿意留给清军享用，后来李秀成被捕后在囚笼里写的《自述》中提到，天王洪秀全的府邸中有圣库一座，他的长兄和次兄分别拥有一座宝库，里面装满了稀世珍宝，可是曾国荃命令扑灭天王府的大火后搜遍上下每一个角落都找不到宝库所在，只找到两方玉玺和一方太平天国金印，黄润昌等部站立在龙广山下，袁大升沿着城南巡逻，遇到逃跑的太平军，统统杀死。看到同胞惨死，天京城内的残余太平军知道性命不保，要么选择了自焚，要么选择跳河自杀，李秀成和洪仁达趁着朦胧夜色带着幼主洪天贵福逃跑，却不幸遭到了萧孚泗的截杀，混乱之中，李秀成和洪天贵福换了匹马，太平军残部带着幼主逃往天京东南方安徽境内的广德地区，而李秀成和洪仁达被捕，洪仁达在清军的逼问下出卖了天王的埋尸之地，曾国荃下令将洪秀全的尸体挖出来进行了狠辣的鞭打，然后又将其尸体焚烧成灰装进大炮轰碎，最后落得个尸骨无存，魂飞魄散的下场。
曾国荃后来粗略地统计了一下，发现有大概十几万太平军被杀死，部分选择投降，城中的王爷、将领和三千大小官员几乎都死在了战乱之中，最后天京城中只剩下几十万居民。
彻底攻下天京后，湘军顿时化作了一支强盗部队，在城内烧杀掳掠，无恶不作，欺压敲诈老百姓的家底，残杀祸害妇女，连老人和儿童都不放过，本地老百姓被当作叛逆异类而诛杀，很多人无处躲藏，只能认命，死在湘军疯狂的杀戮中。
江浙地区是除了京城以外全国最富有的地方，金陵作为十朝古都，而且被太平天国当作首都滋养了十多年，积攒的财富数不胜数，所以说，曾国荃的部队在这里获得了难以预计的财富，回到故乡后，曾国荃的部属都分到了不少银钱，他们吃喝嫖赌，纸醉金迷，就连最小的士卒加上军饷和分赃也能有三五万两银子，回乡后盖起了大房子，雇佣人，买下几百亩田地，生活衣食无忧。这种现象曾国藩不太满意，曾经批评曾国荃，责备他治军不严，后者反驳道：立功的将士太多，朝廷的奖励和官衔有限，根本无法做到合理分配，如果没有中饱私囊，那些低等将士靠什么养家糊口。
民间很多老百姓都对曾国荃部队的行为表示不满，朝廷不分青红皂白，不管随意屠杀的现象，还奖励高官厚禄，从这一点就足以看到统治者的浅显无能，严重依赖军阀力量。李鸿章在这次大战中功不可没，被朝廷封为一等伯爵，赏赐佩戴双眼花翎。
