陳弘嶺率領一萬鎮西軍早已在南側布好口袋陣，大食軍還沒接近，唐軍的炮兵就已經開始射擊，大量的大食騎兵被炸死扎傷。
大食軍被迫又向其他方向逃亡，但是各個方向的唐軍都壓了過來，導致大食軍無路可逃。
這些大食軍決定集中兵力向**圍，與趕來合圍的一個契胡團激烈交戰起來，這個契胡團最終抵住了大食軍的沖擊，大食軍依然無法突破包圍圈。
大食軍左沖右突，包圍圈卻越來越小，大食軍的傷亡越來越大，眼看突圍無望，繼續頑抗下去極有可能覆滅，被迫向唐軍投降。
此役，唐軍一共擊斃五千多大食軍，俘虜七千多，只有少量的大食軍得以逃脫，唐軍陣亡不足一百人，形成了壓倒性的勝利。
陳弘嶺將大食俘虜全部送到費盧杰集中關押，而后按照這個辦法又在巴格達城北的塔吉一帶，又剿滅了一股八千多人的大食軍。至此，巴格達周邊大股的大食軍基本被消滅掉，唐軍可以放心進攻巴格達。
陳弘嶺完成對城外大食軍的清剿后，吳元濟終于帶著第五路軍從代爾祖爾沿著幼發拉底河趕過來，三路軍會師巴格達。
盡管三路軍各有一些損失，但是總兵力加起來也接近九萬人，對比城內的十萬大食軍，李愬對攻打巴格達志在必得。與此同時馬蒙也感受到巨大的危機，在城內征兵拉夫，大規模擴充兵力，準備作最后的殊死一戰。
李愬召集三路軍的將領，先是講了一下第六路軍第一次進攻巴格達失敗的教訓，然后開始討論進攻巴格達的方案。
吳元濟率先發言：“按照我們打大馬士革的經驗，估計他們還是會玩巷戰那一套，我們已經總結了新的戰法，不怕他們?！?
張廣孝補充道：“搞巷戰，小炮必須入城，這樣遇到敵人的新式武器和堅固據點，入城部隊也會有強大的火力支持。”
陳弘嶺則說：“末將認為，在轟炸城墻時，可以先在兩端炸開兩個缺口，最后再炸出中間的缺口，這樣墻內的石油管道就會被徹底炸斷，中間的缺口就相對比較安全?！?
李愬說：“大食軍詭計多端，不可能輕易束手就擒，這次進攻巴格達我們不求快，但求穩，步步為營，三軍同時出動，一定可以拿下巴格達。”
張廣孝說：“好，我們就參照一、二路軍打華氏城的打法，一半人圍城，一半人攻城，這樣穩妥一些。”
吳元濟喜歡單干，喊道：“干脆，三個軍各負責一段，各自分配兵力，誰能打進去就是好漢?！?
李愬也贊成這個提法，就說：“好，到時候我將包圍圈分成三段，各自調派兵力，從三個方向同時攻進去，讓大食軍顧此失彼，一定可以徹底拿下巴格達?！?
會后，李愬在地圖上將巴格達的城墻分成三段，由于第六路軍還有幾個契胡團，就多分了一些，第三路軍從東面主攻，第五路軍從西北方向主攻，第六路軍從南面主攻，三軍攻入城內后，進行向心攻擊，以黑衣大食的皇宮作為核心目標。
李愬給各軍三天的準備時間，三日后的早上，準時發起攻擊。各軍受領任務以后，開始大規模調派部隊，分配任務，設置陣地，分發彈藥，準備大干一場。
各軍都先后經歷了多次大戰，有了豐富的作戰經驗，但是巴格達之戰畢竟事關重大，各軍準備的更充分一些。在巷戰中，除了火槍之外，小炮和單兵炸彈也是兩個利器，各軍都準備利用步炮協同，發揮更大的作戰威力。
到了攻城時間以后，第六路軍在城南率先發起攻擊，李愬按照陳弘嶺的建議，在城南選擇一個城門，在城門的左右三十丈處，各選擇一個地方進行猛轟，然后再轟擊城門。
由于黑衣大食軍的連續加固，巴格達的城墻又高又厚，李愬動用了所有的炮兵連續轟了三天，才轟出了三個缺口。
打開缺口以后，唐軍先鋒部隊開始從中間的缺口入城，由于有了上次的教訓，這次唐軍比較小心，穩步往里推進，不敢打的太快。
唐軍轟開缺口以后，大食軍又往墻體內的管道里灌石油，并用火箭射燃。由于管道已經被炸斷，石油只能流到兩邊的缺口，中間的缺口根本沒油，無法點燃。
入城的唐軍看到后路無虞，開始大膽的往里攻，但是里面的大食軍依然不好對付。有的大食軍用拋石機扔來一些炸彈，有的直接從從建筑物里扔出炸彈，對入城的唐軍形成較大的威脅。
唐軍先搶占一片區域，然后就地架炮，用小炮對準拋石機進行射擊，拋石機在射擊精度和距離上都無法趕上小炮，一個個拋石機被小炮擊毀。
對于建筑物內的大食軍，唐軍更加輕車熟路，采用交替掩護的方式，逐個建筑物進行搜索攻擊，對于大食軍比較多的建筑物，干脆直接用小炮瞄準轟擊。
第一階段的攻防都在唐軍的預想之中，所以進展比較順利，第二波唐軍緊跟著入城，開始加大攻勢。
沒想到，大食軍在城內也埋設了一些石油管道，一些石油從街道旁邊的噴口中涌出，然后被大食軍用火箭點燃，阻止了唐軍的前進。唐軍干脆對著噴口附近的建筑物猛轟，將建筑物轟塌，將噴口壓住，火勢逐步減弱，唐軍繼續往里攻擊。
唐軍剛前進一段，大食軍又整出了新玩意，突然發射出一些飛射彈向唐軍方向襲來，有些飛射彈就在唐軍附近爆炸，造成了一些死傷。
原來，大食軍也琢磨出了飛射彈的制作方法，這個東西制作起來不復雜，大食軍就批量制作，留在最后的時候發揮作用。但是，飛射彈有一個很大的缺點，那就是準確率不高，只能打擊面狀目標。
雖然飛射彈的精度不高，但是也耐不住數量多，對唐軍的攻城行動產生了很大的威脅。
唐軍干脆將小炮搞到屋頂上，對著飛射彈發射的地方進行轟擊，由于小炮的射擊精度高，很快就將幾個飛射彈的發射點打掉，有些發射點甚至產生二次爆炸，給大食軍造成了很大的損失。
第三、第五路軍也基本是按照相似的戰法先后攻入城內，在三路大軍的進攻下，給城內的大食軍造成了極大的壓力。城內的大食軍雖然拼死抵抗，但是根本無法阻擋唐軍的攻勢，唐軍就是一個街道、一個房屋的爭奪，逐步搶占了大片的區域。
就在唐軍集中兵力攻城之時，城**然出現了情況。原來，拉赫曼在大不里士糾集了兩萬多大食軍，趕來巴格達勤王。
張廣孝發現又來了一股大食軍，立即讓圍城部隊分兵阻擋，城內的大食軍趁機突圍，城東爆發了激烈的交戰。
張廣孝命令城外的大炮調轉炮口，對著拉赫曼率領的軍隊猛轟，鎮海軍的其他部隊暫緩入城，先集中兵力對付城外的大食軍。
經過兩個時辰的激烈交戰，拉赫曼率領的大食軍始終無法與城內的大食軍匯合，反而在唐軍的打擊下，損失慘重，最后不得不倉皇向北逃跑。
拉赫曼的軍隊逃走以后，那些突圍出來的大食軍就成了孤軍，遭到唐軍的集中圍剿，這些大食軍逐漸不支趕緊從城門處退回城內。鎮海軍豈會放過這么好的機會，緊跟著這些潰兵入城，進一步擴大了唐軍的攻擊范圍。
經過一天的激戰，唐軍搶占了大片區域，按照這個速度，唐軍三天內就能攻占整個巴格達城。哈里發馬蒙不甘心失敗，對城內所有的軍民發出圣戰的號召，讓他們拿起武器，拼死抵抗異教徒。
黑衣大食的統治者平時窮奢極欲，大肆壓榨百姓，此時想起利用宗教口號，利用底層人民充當炮灰。有些人根本不相信他的鬼話，但還是有一些無腦的軍民聽信他的蠱惑，參與到抵抗唐軍的序列。
第二天，很多大食軍向唐軍拼死反撲，他們在唐軍優勢火力的打擊下傷亡慘重，但是仍前赴后繼，高呼著圣戰的口號向唐軍沖來。
唐軍也是殺紅了眼，槍炮并用，對于敢于沖來的大食人無情的射殺，在各個街道內展開了大規模的殺戮。
大食人的炮灰數量畢竟有限，到了第三天大食軍逐步顯現出頹勢，各路唐軍逐步攻入巴格達的中心區域，對于敢于阻擋的大食軍一概射殺。
在唐軍的強大攻勢下，大食人開始感到了害怕，逐步往后退縮，最后全部退到了哈里發的皇宮。唐軍掃平巴格達城內的其他區域后，最后將哈里發皇宮層層包圍，要求里面的大食軍投降，否則就將發動總攻。
哈里發馬蒙發動圣戰讓別人去送死，自己卻不愿意死，最后關頭選擇投降，讓守軍打出了白旗。經過連續三天的進攻，唐軍終于拿下巴格達，李愬下令將所有俘虜趕到城外，集中看押起來，將馬蒙單獨關押。
李愬帶著張廣孝、吳元濟等人來到哈里發的皇宮，發現里面奢華無比，再打開宮中的府庫，里面存放著大量的金銀珠寶，遠遠超過了李愬等人的認知。
吳元濟看到有這么多的珠寶，眼都看直了，當場建議將這些珠寶分給三軍部隊。李愬則認為，這是一筆巨大的財富，如果全部瓜分肯定不合適，決定拿出其中三分之一的金銀分給各軍，其他的則封存起來，后面交給朝廷。
張廣孝也覺得全部瓜分不太合適，怕朝廷后面怪罪下來，也同意李愬的意見，吳元濟只能無奈接受。
戰后，李愬命人統計巴格達之戰的戰損情況，唐軍陣亡三千多人，一萬多人受傷，大食軍則陣亡四萬多人，六萬多人被俘。
總體來看，第二次巴格達戰役，唐軍占據了絕對的優勢，三個軍的陣亡數量比第一次還低，算是一場比較成功的攻城戰。
唐軍拿下巴格達之后，已經到了九月初，李愬讓部隊原地休整一番，計劃后續將黑衣大食殘余的地方拿下后，再進攻拜占庭帝國。
唐軍休整到第三天，范希朝突然派人送來一封信件，信里說李純考慮到唐軍由于連續作戰，傷亡較大，打下巴格達之后，只要拿下包括亞美尼亞的大食全境就結束任務，不再進攻拜占庭。
原來，李純在后方先后收到各軍的戰報，發現各軍傷亡不小，特別是范希朝送來關于第一次巴格達戰役的戰報后，李純特別心痛，認為拿下黑衣大食就好，不愿因進攻拜占庭產生新的傷亡，就調整計劃，將拜占庭調到第三波進攻計劃。
看到皇帝如此體恤部屬，唐軍將領非常感動，幾支部隊連續作戰，經歷了好幾次惡戰，確實傷亡巨大。光是第六路軍前后就陣亡七八千人，第三路軍的傷亡也很大，第五路軍由于后方留人，所剩部隊也不是很多。
既然上面已經減少任務，李愬等人決定將最后的戰斗打好，把大食剩下的亞美尼亞和波斯西部拿下來。