清兵攻城不利，又起劝降之念。刘良佐亲作《劝民歌》，希望江阴投降，阎应元不从。于是清兵在城下搭建牛皮帐篷，做好长期作战的准备。十五日，清兵攻东北城，刘良佐命西南放炮，东北掘城，皆用山爬攻城，城内以火球、火箭抵抗。清兵不敌欲退，良佐严令方止。阎应元继续命城内投下砖石，清兵不及闪避，数百人死于城下。良佐惭愧、惶恐。于是搭设三层牛皮帐，守而不攻。帐内有九梁八柱，矢石投在上面，都被反弹起来，不能进入。阎应元下令用人粪，掺上桐油，煎滚浇下，牛皮烫穿，浇在清兵身上，肉烂而死。没被烧着的清兵惊惶散去，城内用挝弩射向逃散的清兵，钩中者，即入城中袅首。清兵手足无措，纷纷逃散。敌营以为守城者杀下，命令发射木铳以御，反伤自己的马步卒无数。无奈之下，刘良佐命令移营至邓墓。
在坚守的同时，江阴向四方请求援助，黄蜚、吴之葵领兵至太湖，与清贝勒博洛大军相遇，二人兵败被俘后，投降清朝。海寇顾三麻子因敬慕阎应元的为人，率舟师来援，苦战三日后失败，扬帆远去。此外，义阳王来援，败于砂山；秀才金矿会集精勇四百余人来援，被刘良佐以铁骑三千截在周庄左右，全军俱没。外兵屡败，江阴沦为孤城。即便如此，刘良佐心有余悸，不敢再攻城，只用火炮攻击北城，彻夜不息，城垛在炮火的轰击下塌陷数丈。阎应元命石匠砌墙，匠危惧不前，阎应元言辞恳切，动之以情，石匠深受感动，于是冒死登城修葺城垛，使之牢固如初。
十四日，阎应元利用清军劝降之机，派出百余名壮士，以奉送“降礼”为名,暗携火器进入清军营帐,炸死清军官兵两千余人。十七日夜，阎应元挑选勇士千人出南门劫营，或执板斧，或执短刀，或用扁担，突入敌营，伤千余人。及他营来救，应元兵已返回城中。此役之后，刘良佐再次后撤，扎营在十方庵。
十八日，刘良佐令十方庵的僧侣向城跪泣，陈说利害，劝江阴军民早降。城中皆愿以死报国，要他速去。当晚，僧人又来劝降，再次被众人遣走。十九日，刘良佐策马来到城下，劝应元道：“宏光已北，江南皆下。若足下转祸为福，爵位岂在良佐下，何自苦如此？”阎应元从容道：“江阴士民，三百年来食毛践土，深戴国恩，不忍望风降附。应元是大明典史，深知大义所在，绝不服事二君。将军位为侯伯，掌握重兵，进不能恢复中原，退不能保障江左，有何面目见我江东忠义士民乎？”良佐惭愧不已，又以清廷召谕相示，劝江阴士民接受招安。应元怒道：“有降将军，无降典史。”一声梆响，火箭齐发，良佐连跨三四马逸去，叹息道：“江阴人没救了！”
清朝亲王多铎闻知江阴久攻不下，极为震怒，他先派恭顺王孔有德“率所部兵协攻”，接着又派贝勒博洛和贝勒尼堪带领满洲兵携红衣大炮前往攻城。贝勒博洛平定松江后，统率所部二十万大军来到江阴城下，他认为刘良佐曾任明朝伯爵，手握重兵，却连一个江阴县城也攻不下来，无能至极，于是打了他一顿板子。他登山而望，巡视江阴城防后，对手下讲：“此城舟形也，南首北尾，若攻南北，必不破。惟攻其中，则破矣。”他命人绑缚降将黄蜚、吴之葵到城下，命令他们做书劝降，黄蜚道：“我在城中没有相识，写了劝降书又有何用？”吴之葵涕泪交横，仰头劝阎应元投降，情词悲楚，应元叱道：“大臣被缚，当速就死，何必喋喋不休！”之葵再拜泣下，蜚默默无语。
博洛见阎应元义不可动，发起总攻，分兵先抄断各镇救兵，以竹笼盛火炮，鼓吹前迎，炮手披红挂彩，限三日破城，二十日至二十七日，清兵轮番攻城不息，阎应元指挥防御，浴血奋战，终保江阴城池不失。
八月初，江阴民兵昼夜守御，甚感疲惫。开始有人出城投降。清兵在城外四处杀掠，民不聊生，为江阴百姓不齿，那些剃发投降的人，被城上看见，必然痛骂，即使是至亲也像仇敌一般。阎应元见城防吃紧，遍取民间乱发，投城下诱敌。清兵惊喜，报告刘良佐。良佐道：“还不能相信，去观察一下守城的人剃发了吗？”清兵察探后，方知是诈降。
博洛久攻不下，心中焦急，于是重新劝降，称只要拔去大明中兴的旗号，四门悬挂大清旗号四面，只杀斩首事者数人，其余一概不论，即使不剃发，也会撤兵。阎应元看出博洛的缓兵之计，遂道：“只斩我一人？我没有罪，凭什么杀我！”议不决而止。博洛又称只要在四城竖起大清旗四面，也会立刻退兵。阎应元情知有诈，仍不应。前吴军门督军王海防至江上，宰牛杀羊与诸将起誓，称江阴归顺后绝对不许杀掠。他自恃在江阴素有恩信，请缨来劝降，但临城招抚，却无人应和。此后摄政王多尔衮晓谕招安，博洛命人用箭射入城中，言明已亡，何苦死守？阎应元命人在书后补上：“愿受炮打，宁死不降！”射还给清兵。清廷多次劝降，三城已经开始有人犹豫，但因阎应元镇守的北门誓死固守，众意遂绝。
被困既久，江阴城内伤亡惨重，战斗力日减，城中石灰断缺，不能乘夜修城。饭米越来越少，只能靠征集民间的米以备缺乏，阎应元下令两日领一次米，不得预先领取。中秋前后，百姓携壶提觞登上城楼，举杯痛饮，诸生许用模仿楚歌，作《五更转曲》，让善歌的人登高传唱，以笙笛箫鼓相和。当时天无纤翳，皓月当空，清露薄野，剑戟无声，黄弩、师鼓、胡琴于西城之敌楼，歌声悲壮，响彻云霄。清兵争着靠前倾听。或怒骂，或悲叹，甚有泣下者。歌中唱道：“宜兴人，一把枪。无锡人，团团一股香。靖江人，连忙跪在沙滩上。常州人，献了女儿又献娘。江阴人，打仗八十余日，宁死不投降。”还有许多歌曲，但意思大致如此。刘良佐针锋相对，命人作劝降词，让士卒相倚而歌，自己与幕僚在帐中饮酒，不一会儿，城上炮、箭齐发，遂散去。
二十一日，博洛令数百人，把二百余座大炮全部搬到花家坝，专打东北城。铁子入城，穿透洞门十三重，树亦穿过数重，落地深数尺。当日雨势甚急，外用牛皮帐护炮装药，城头危如累卵。城上因敌炮猛烈，见燃火，即躲到围墙后面。炮声过后，再登上城楼。清兵看到这种情况，故意放空炮，并让炮中只放狼烟，烟漫障天，咫尺莫辨。守城者只听炮声霹雳，认为清兵不能很快进入，而不知清兵已潜渡城河，从烟雾中蜂拥突上，众人来不及防御而崩溃。江阴终于被攻陷了。当清兵上城时，一队民兵对城列阵。清兵怕有埋伏，僵持半日不敢进攻。到黄昏时，城中鼎沸，民兵阵脚散乱，清兵才敢下城。
城破之时，阎应元端坐于东城敌楼之上，要了一支笔，在城门上提到：“八十日带发效忠，表太祖十七朝人物，十万人同心死义，留大明三百里江山。”题讫，带着千人上马格斗，杀死清兵无数，欲从西门突围而不得。他环顾从者道：“为我谢百姓，吾报国事毕矣！”自拔短刀，刺胸血出，投在前湖中。义民陆正先想把他从水中扯起，正赶上刘良佐遣兵来擒，良佐自称与阎应元有旧，要生擒他，于是清兵把他捞起绑住，没有杀他。良佐踞坐在明佛殿，见应元来了，跃起，两手拍应元背而哭。应元道：“有什么好哭的，事已至此，只有一死。速杀我！”博洛坐在县署，急索应元至堂上。阎应元挺立不屈，背向贝勒，骂不绝口。一卒以枪刺他的小腿，阎应元血流如注，不支倒地。博洛命人把他关到栖霞庵。当夜，寺中僧人不停听到“速杀我”的声音，天明时，终遇害。
阎应元死后，家丁犹存十余人，皆因不降而被杀，陆正先也一同殉难。典吏陈明遇命令关闭县衙，举火焚死男女大小共四十三人，自己持刀与清兵血战，身负重创，握刀僵立，死时，身子倚在墙边，屹立不倒。训导冯厚敦自缢于明伦堂，妻与姊投井死。中书戚勋、诸生许用举家自焚而死。八月二十二日，清兵开始屠城，百姓或力战到底，或坦然就义，都以先死为幸，没有一人顺从。清军屠城两日后“出榜安民”，城内百姓仅剩“大小五十三人”而已。
据《江阴城守后纪》所述：阎应元躯干丰硕，双眉卓竖，目细而长曲，面赤有须。每次巡城，身边有一人执大刀跟随左右，颇有云长再生之感。清兵望见，以为天神。阎应元号令严肃，对苟且偷安、不守法纪的人，必然重加责罚，以警示众人，即使时乡绅、豪强也不例外。而当战士困苦时，他又会亲自熬药斟酒，温言慰劳；当有人遇难，他亲自购置棺木，哭奠而殓葬；接见敢死队的战士时，不称姓名而称兄弟。遇到重要的任务，必然询问众人：“我兄弟谁能完成此事？”有人当路大喊道：“我欲杀敌，苦无短刀。”阎应元马上解下身上所佩价值二三十金的短刀，为其带上。阎应元凡事以身作则，诚恳待人，所以士、民都怀德畏威，濒死不悔。
在坚守的同时，江阴向四方请求援助，黄蜚、吴之葵领兵至太湖，与清贝勒博洛大军相遇，二人兵败被俘后，投降清朝。海寇顾三麻子因敬慕阎应元的为人，率舟师来援，苦战三日后失败，扬帆远去。此外，义阳王来援，败于砂山；秀才金矿会集精勇四百余人来援，被刘良佐以铁骑三千截在周庄左右，全军俱没。外兵屡败，江阴沦为孤城。即便如此，刘良佐心有余悸，不敢再攻城，只用火炮攻击北城，彻夜不息，城垛在炮火的轰击下塌陷数丈。阎应元命石匠砌墙，匠危惧不前，阎应元言辞恳切，动之以情，石匠深受感动，于是冒死登城修葺城垛，使之牢固如初。
十四日，阎应元利用清军劝降之机，派出百余名壮士，以奉送“降礼”为名,暗携火器进入清军营帐,炸死清军官兵两千余人。十七日夜，阎应元挑选勇士千人出南门劫营，或执板斧，或执短刀，或用扁担，突入敌营，伤千余人。及他营来救，应元兵已返回城中。此役之后，刘良佐再次后撤，扎营在十方庵。
十八日，刘良佐令十方庵的僧侣向城跪泣，陈说利害，劝江阴军民早降。城中皆愿以死报国，要他速去。当晚，僧人又来劝降，再次被众人遣走。十九日，刘良佐策马来到城下，劝应元道：“宏光已北，江南皆下。若足下转祸为福，爵位岂在良佐下，何自苦如此？”阎应元从容道：“江阴士民，三百年来食毛践土，深戴国恩，不忍望风降附。应元是大明典史，深知大义所在，绝不服事二君。将军位为侯伯，掌握重兵，进不能恢复中原，退不能保障江左，有何面目见我江东忠义士民乎？”良佐惭愧不已，又以清廷召谕相示，劝江阴士民接受招安。应元怒道：“有降将军，无降典史。”一声梆响，火箭齐发，良佐连跨三四马逸去，叹息道：“江阴人没救了！”
清朝亲王多铎闻知江阴久攻不下，极为震怒，他先派恭顺王孔有德“率所部兵协攻”，接着又派贝勒博洛和贝勒尼堪带领满洲兵携红衣大炮前往攻城。贝勒博洛平定松江后，统率所部二十万大军来到江阴城下，他认为刘良佐曾任明朝伯爵，手握重兵，却连一个江阴县城也攻不下来，无能至极，于是打了他一顿板子。他登山而望，巡视江阴城防后，对手下讲：“此城舟形也，南首北尾，若攻南北，必不破。惟攻其中，则破矣。”他命人绑缚降将黄蜚、吴之葵到城下，命令他们做书劝降，黄蜚道：“我在城中没有相识，写了劝降书又有何用？”吴之葵涕泪交横，仰头劝阎应元投降，情词悲楚，应元叱道：“大臣被缚，当速就死，何必喋喋不休！”之葵再拜泣下，蜚默默无语。
博洛见阎应元义不可动，发起总攻，分兵先抄断各镇救兵，以竹笼盛火炮，鼓吹前迎，炮手披红挂彩，限三日破城，二十日至二十七日，清兵轮番攻城不息，阎应元指挥防御，浴血奋战，终保江阴城池不失。
八月初，江阴民兵昼夜守御，甚感疲惫。开始有人出城投降。清兵在城外四处杀掠，民不聊生，为江阴百姓不齿，那些剃发投降的人，被城上看见，必然痛骂，即使是至亲也像仇敌一般。阎应元见城防吃紧，遍取民间乱发，投城下诱敌。清兵惊喜，报告刘良佐。良佐道：“还不能相信，去观察一下守城的人剃发了吗？”清兵察探后，方知是诈降。
博洛久攻不下，心中焦急，于是重新劝降，称只要拔去大明中兴的旗号，四门悬挂大清旗号四面，只杀斩首事者数人，其余一概不论，即使不剃发，也会撤兵。阎应元看出博洛的缓兵之计，遂道：“只斩我一人？我没有罪，凭什么杀我！”议不决而止。博洛又称只要在四城竖起大清旗四面，也会立刻退兵。阎应元情知有诈，仍不应。前吴军门督军王海防至江上，宰牛杀羊与诸将起誓，称江阴归顺后绝对不许杀掠。他自恃在江阴素有恩信，请缨来劝降，但临城招抚，却无人应和。此后摄政王多尔衮晓谕招安，博洛命人用箭射入城中，言明已亡，何苦死守？阎应元命人在书后补上：“愿受炮打，宁死不降！”射还给清兵。清廷多次劝降，三城已经开始有人犹豫，但因阎应元镇守的北门誓死固守，众意遂绝。
被困既久，江阴城内伤亡惨重，战斗力日减，城中石灰断缺，不能乘夜修城。饭米越来越少，只能靠征集民间的米以备缺乏，阎应元下令两日领一次米，不得预先领取。中秋前后，百姓携壶提觞登上城楼，举杯痛饮，诸生许用模仿楚歌，作《五更转曲》，让善歌的人登高传唱，以笙笛箫鼓相和。当时天无纤翳，皓月当空，清露薄野，剑戟无声，黄弩、师鼓、胡琴于西城之敌楼，歌声悲壮，响彻云霄。清兵争着靠前倾听。或怒骂，或悲叹，甚有泣下者。歌中唱道：“宜兴人，一把枪。无锡人，团团一股香。靖江人，连忙跪在沙滩上。常州人，献了女儿又献娘。江阴人，打仗八十余日，宁死不投降。”还有许多歌曲，但意思大致如此。刘良佐针锋相对，命人作劝降词，让士卒相倚而歌，自己与幕僚在帐中饮酒，不一会儿，城上炮、箭齐发，遂散去。
二十一日，博洛令数百人，把二百余座大炮全部搬到花家坝，专打东北城。铁子入城，穿透洞门十三重，树亦穿过数重，落地深数尺。当日雨势甚急，外用牛皮帐护炮装药，城头危如累卵。城上因敌炮猛烈，见燃火，即躲到围墙后面。炮声过后，再登上城楼。清兵看到这种情况，故意放空炮，并让炮中只放狼烟，烟漫障天，咫尺莫辨。守城者只听炮声霹雳，认为清兵不能很快进入，而不知清兵已潜渡城河，从烟雾中蜂拥突上，众人来不及防御而崩溃。江阴终于被攻陷了。当清兵上城时，一队民兵对城列阵。清兵怕有埋伏，僵持半日不敢进攻。到黄昏时，城中鼎沸，民兵阵脚散乱，清兵才敢下城。
城破之时，阎应元端坐于东城敌楼之上，要了一支笔，在城门上提到：“八十日带发效忠，表太祖十七朝人物，十万人同心死义，留大明三百里江山。”题讫，带着千人上马格斗，杀死清兵无数，欲从西门突围而不得。他环顾从者道：“为我谢百姓，吾报国事毕矣！”自拔短刀，刺胸血出，投在前湖中。义民陆正先想把他从水中扯起，正赶上刘良佐遣兵来擒，良佐自称与阎应元有旧，要生擒他，于是清兵把他捞起绑住，没有杀他。良佐踞坐在明佛殿，见应元来了，跃起，两手拍应元背而哭。应元道：“有什么好哭的，事已至此，只有一死。速杀我！”博洛坐在县署，急索应元至堂上。阎应元挺立不屈，背向贝勒，骂不绝口。一卒以枪刺他的小腿，阎应元血流如注，不支倒地。博洛命人把他关到栖霞庵。当夜，寺中僧人不停听到“速杀我”的声音，天明时，终遇害。
阎应元死后，家丁犹存十余人，皆因不降而被杀，陆正先也一同殉难。典吏陈明遇命令关闭县衙，举火焚死男女大小共四十三人，自己持刀与清兵血战，身负重创，握刀僵立，死时，身子倚在墙边，屹立不倒。训导冯厚敦自缢于明伦堂，妻与姊投井死。中书戚勋、诸生许用举家自焚而死。八月二十二日，清兵开始屠城，百姓或力战到底，或坦然就义，都以先死为幸，没有一人顺从。清军屠城两日后“出榜安民”，城内百姓仅剩“大小五十三人”而已。
据《江阴城守后纪》所述：阎应元躯干丰硕，双眉卓竖，目细而长曲，面赤有须。每次巡城，身边有一人执大刀跟随左右，颇有云长再生之感。清兵望见，以为天神。阎应元号令严肃，对苟且偷安、不守法纪的人，必然重加责罚，以警示众人，即使时乡绅、豪强也不例外。而当战士困苦时，他又会亲自熬药斟酒，温言慰劳；当有人遇难，他亲自购置棺木，哭奠而殓葬；接见敢死队的战士时，不称姓名而称兄弟。遇到重要的任务，必然询问众人：“我兄弟谁能完成此事？”有人当路大喊道：“我欲杀敌，苦无短刀。”阎应元马上解下身上所佩价值二三十金的短刀，为其带上。阎应元凡事以身作则，诚恳待人，所以士、民都怀德畏威，濒死不悔。