8月28日，西王萧朝贵奉洪秀全之命，率林凤祥、李开芳等1000余名太平军将士，间道奔袭长沙。9月11日，进抵长沙城南的石马铺，开始了为期近3个月的长沙之战。
驻守石马铺的清军是西安镇绿营兵和浏阳乡勇。时陕西兵刚到，萧朝贵趁其立足未稳，发动突然袭击，激战半日，破营七八里，毙敌900余人，阵斩总兵福成、副将尹培立。浏阳乡勇见状作鸟兽散，驻守金盆岭的朱瀚不战而逃，枪炮器械全部被太平军缴获。次日，太平军转攻黄土岭，清军溃退回城。 洪秀全和东王杨秀清在郴州闻知长沙告急，于9月24日夜率大队人马离开郴州，日夜兼程赶往长沙。10月5日，太平军前锋抵达长沙，与原来的攻城部队汇合后，当天就发动猛烈攻势。数千太平军分路直趋蔡公坟要地，并从东面抄敌后路。战斗十分激烈，守将和春、秦定三、江忠源率部反击，被太平军打败，参将任大贵击毙，副将德安受伤，江忠源“伤腓坠马”，险些丧命。蔡公坟清军大败，情急之中，向荣冒险启用旧存5000斤大炮，自天心阁上发炮轰毁近城民房，使太平军失去掩护场所，不能近城。
10月 l1日，洪秀全、杨秀清抵达长沙城外南门，又分兵3路发起猛攻，清军亦兵分3路抵抗，战斗至为激烈。后因清军得到增援，太平军不敌，败退回营。15日，郴州追兵赶来长沙，扎营于城外的桃花、洞井铺等地。洪秀全决定趁敌初至予以歼灭，乃光于中途设伏，然后诈败诱敌，退至井湾子。不料井湾子已苯扎清军一营，太平军腹背受敌，伤亡很大，只得退回营垒。 太平军主力抵达长沙后，两次大的进攻，均不利，而清军加强了城外东南的布防，自天心阁至新开铺一带扎营结垒，背后又有张国梁部相威胁，正前面向荣会同各营深掘大壕，以困太平军；太平军数万人马屯扎城南，背水为营，三面受敌，显然不利。在攻守易势的情况下，洪秀全、杨秀清遂改变战略，分兵西渡，占领河西地区，作为进攻长沙和继续转进的阵地。
10月17日，翼王石达开奉命率领数干太平军自朱张渡、南靖港、猴子石一带西渡湘江，占领水陆洲，并留兵把守，然后进占河西靳江、市铺尾、象鼻坝、龙回潭、阳湖、岳麓山和湾镇一带，并在猴子石搭造浮桥，使东西两岸连成一体。河西为长沙西通常德、北入洞庭的要道，太平军占领河西这个战略要地，使整个战局又活跃起来，再次赢得了军事上的主动权。
太平军西渡，清军十分惊恐，急忙派兵渡江增援，但遭到石达开部的英勇阻击，10多次进攻均被打退，向荣急愤之余，于10月30日亲率3000清兵杀气腾腾地直奔太平军水陆洲要地，妄图截断东西两岸太平军的联络，以便各个击破。太平军埋伏洲南树林之中，出轻骑诱敌。向荣中伏，仅以身免，所部丢盔弃甲，狼狈逃遁。经此一战，河西清军再也不敢妄动，城中敌军也惊骇不敢出战。 在河西激战之时，东岸长沙城南的太平军又继续发起了进攻。从10月下旬到 l1月底，太平军在城南魁星楼和金鸡桥一带挖掘地道10多处，曾3次爆破轰塌城墙四五文、七八丈不等。太平军从缺口处扑城，和春、江忠源等督兵拼死抵拒，迅速堵塞缺口。正在巡抚张亮基幕府的左宗棠，在长沙守城战中才华初露。他出谋划策，从长沙富商黄冕、贺瑗、孙鼎臣、欧阳兆熊手中筹措饱银12万两，安定了城内军心。城墙缺口时，他急中生智，令用石块填缺口，并规定凡向缺口抛石一块赏钱一千文。顿时石块从各处飞来，砸死砸伤太平军无数。
这时，太平军在长沙已经打了81天，既不能歼灭城外之敌，又不能合围破城，而清朝援军不断开来，准备再次合围太平军，将其歼灭于长沙城下。太平军审时度势，按照洪秀全“直前冲锋，循江而东，略城堡，舍要害，专意金陵，据为根本”的战略方针，利用暴雨初歇、夜色茫茫的机会，经龙回潭、金牛岭，迅速撤出长沙城外，长驱北进。 太平军后来又打过一次长沙，那是在定都天京（今南京）以后。1854年初，太平军为巩固天京举行了西征。人湘西征军由石祥祯、林绍璋等指挥，先后在岳州、宁乡、湘阴、靖港、湘潭等地与曾国藩的湘军激战。太平军当时的战略，是先占领长沙外围的城邑，形成包围之势，而后夺取长沙。开始太平军取得了较大的胜利，特别是1854年4月下旬的靖港之战，痛击湘军水师，曾国藩急得几次投水自杀，被左右救起，连夜逃回长沙。但是，太平军在湘潭的作战却遭受重大失败，伤亡1万多人，其他各地的胜利都因此化为乌有，西征人湘的太平军只得撤围。
太平军北上进军途中的长沙之战和后来西征人湘攻打长沙，虽然都以失败而告终，但给清朝统治者以沉重的打击，也为太平军后来的军事行动提供了宝贵的经验和深刻的历史教训。
太平军在长沙及其周边地区的活动，推动了长沙乃至湖南全省人民的反清革命斗争，在近代长沙历史上产生了深远的影响。另一方面，清军长沙守城之役的成功和湘军集团在长沙的兴起，使湖南特别是长沙成为维护清王朝封建统治的重要堡垒。这两方面的影响，都导致了后来长沙地区“经邦济世”人才大批崛起，民风土气为之一变，对近代湖南及至全国的历史进程产生了重大的影响。
