南京的地势较为险要，历来有虎踞龙盘之称，城内城外山冈起伏，炮台林立，易守难攻，五大要塞更为凶险。此刻，张勋已在这五大要塞：乌龙山、幕府山、狮子山、雨花台、天堡城布置重兵守备，以抵御革命军。
吸取徐绍桢上次失败的教训，这次萧震雷作了精密部署。在进攻前的军事会议上，萧震雷指着军事地图一一向各军将帅介绍说：“南京的险要，就在于这五大要塞。我军如果不先占领这五大要塞，就无法攻城。”
他看了看各路指挥官，继续道：“五大要塞，周围六十里，而张勋已经把这五处布成一个相连的战区。其中乌龙山、幕府山是战区的门户。据我所知乌龙山炮台有近20门重炮，杀伤力极强，因此乌龙山炮台只能智取不能强攻，否则，我军将蒙受重大损失。徐军长，据说你与南京总炮台的指挥官成鲲关系不错？不知道你不能不说动他临阵倒戈？”
徐绍祯闻言立即站起来道：“我试试，能不能成我不敢保证！”
随后，徐绍桢与清军南京总炮台的指挥官成鲲秘密联系，在发起进攻前，成鲲带着一部分人树起了起义大旗，并暗中卸下了炮栓，使革命军未伤一兵一卒就占领了乌龙山。事后，萧震雷任命成鲲为江浙联军炮兵炮兵司令。
为了扭转败局，张勋连夜调拨援军，让他们在天亮前夺回乌龙山。无奈大势已去，革命军又相继攻占了幕府山、狮子山。清军在昼夜之间连失乌龙山、幕府山、狮子山三处要塞，张勋急忙调动重炮，加强天堡城、雨花台的太平门一线火力，并派遣江防营提督王有宏带领重兵守备。
11月26日，萧震雷一声令下，革命军发起全线进攻。萧震雷率领参谋团亲赴太平门前线指挥。在太平门驻守的是江防营提督王有宏，此人号称“大胆将军”，是张勋的一员武将，他将联军进攻，便亲自上阵，勇猛作战。萧震雷让部下准备重火力，等王有宏一出马，联军集中火力，他全身中弹百余发，当场毙命。太平门主将一死，清军立刻军无斗志，大败。
痛失爱将，张勋当晚调集城中所有清军，一鼓作气向城外反扑。面对张勋的反扑，萧震雷下令联军集中火力就地防御，清军死伤惨重，原本清军作为守城方，根本不需要如此，可张勋是个性格暴烈之人，冲动之下损失了大量兵力。
战斗两天，在萧震雷的调度和指挥下各军都先后经历过了战斗，得到了战火的洗礼，有过严格训练的部队在这两天的战斗中损失不大，沪军三个师因为都是临时组织起来的巡防营或青帮地痞，战斗力与正规军相去甚远，因此损失较大，李英石的沪军第四师要好一些，毕竟经过蔡威的训练，而且训练时间较长，士兵战斗素养都很高，损失很小。
两日后，联军迫近天堡城，天堡城位于南京紫金山的西高峰，原是太平天国定都南京后，为保卫天京建筑的堡垒，城墙用巨大的石头垒砌，有一夫当关，万夫莫开之势，是军事上控制南京的关口，居五要塞之首。
在前两日的战斗中，各路军队都进展很快，唯有沪军第三师、第五师不仅损失颇大，而且进展缓慢，还有苏军第三军林述庆、柏文蔚等部进展不大，感觉颇有些丢脸，因此这次李燮和、蒋志清、林述庆、柏文蔚等人主动向萧震雷请缨进攻天堡城。萧震雷考虑后答应了他们的请求。
天堡城攻击战打响，革命军各路大军，向紫金山冲击，冲锋号、枪炮声、厮杀声震天动地。天堡城清军，凭险据守阵地，机枪不断扫射，大炮不停轰击。林述庆、柏文蔚等人率领的革命军几次冲锋，都未能突破，双方死伤遍野。
11月28日，武昌方面发来电报，黄兴在汉阳指挥的防御作战失败，汉阳全面失守，北洋军占领汉阳，武昌岌岌可危，各方都知道现在唯有攻克南京方能挽救革命来之不易的大好局面，全国各地都将目光放在了南京之战上。
12月1日，萧震雷下令调来海军战舰，用舰炮轰击天堡城，清军死伤惨重，不得不退却，革命军随即占领天堡城，
12月2日，联军终于攻入南京，南京至此光复。