刘毅挟一路势如破竹之威，打算直接进攻江陵。但接到了刘裕的命令，要他等待大军抵达之后发起进攻，以免发生意外。刘毅心中有些不高兴，认为根本无需等待刘裕的后军抵达，而应该趁士气高涨之时进攻。于是只等待了一日，便于二十六发起了猛攻。
江陵城临水而建，乃是桓氏老巢。数十年来，城防经过加固，防御体系完备。而且江陵城建有水陆瓮城。陆上瓮城倒也罢了，水上瓮城可是当初连桓谦率领的水军都束手无策的。刘毅兵马士气虽盛，却在江陵城防面前难以突破。
攻城进行到二十八日，刘毅依旧未能攻破江陵，反而损失兵马近七干人，战船在攻击水门时被水下瓮城所困，损毁三十艘大船。可谓损失惨重。
二十九日，刘裕率军赶到。刘裕早已得知战况，他对刘毅的擅自违背命令甚为恼怒，严厉斥责刘毅不听命令的行为。刘毅自知理亏，倒也不敢争辩，只是表示自己想速战速决，担心敌军增援抵达，贻误战机，并非是想违背刘裕的命令。
大敌当前，加之刘毅有功，刘裕倒也没有过多的责骂。
当下大军会合之后，研判了目前的局面，定下破城之策。
九月初一清晨，刘裕效仿李徽攻京城之法，大量劝降传单轰入城内，限令城中百姓天黑前全部撤离，否则当从贼论处。同时发布悬赏，凡杀死桓玄或者抓到桓玄者，赏万金，赐万亩庄田，加高官厚爵。借此以搅乱城中民心。
除此之外，刘裕更制定了详尽的攻城计划，调动大军全面布置，做好攻城准备。
事实上，刘裕并没有给城中的百姓太多的时间，他也没有遵守等到天黑的诺言。他的粗制滥造但是数量庞大的攻城火器在午后时分便开始轰鸣，数以百计的火炮向着江陵城中猛烈轰击，炸的城东一带一片狼藉，引燃了大量的房舍，烧起熊熊烈火。
江陵城中的百姓本来还因为这几天来守城有起色而心情稍定，对于刘裕的警告当成耳旁风。但当大量炮弹轰入东城，整个东城燃起大火的时候，他们才意识到问题的严重性。恐慌再一次弥漫全城，百姓们纷纷向着西城方向逃离。
但桓玄怎会放他们出城，派兵马将他们拦阻在街道上。一时间满城混乱，哭喊声震天。
轰炸之后，便是大规模的攻城。一波又一波的攻城连续不断。东城守军压力骤增，不得不从南城水门抽调兵马前来增援。好在水门有水下瓮城，加之对方水军这几日损失惨重，桓玄等人判断，刘裕应该是将进攻重点放在东城方向。
事实也确实如此，刘裕的在东城的进攻不断，南水门的水军却一直不敢抵近进攻，数十艘战船只在江面游弋。
战斗进行到夜幕时分，东城尚未攻破，双方都投入了大量的兵力。攻城方的伤亡巨大，死伤超过八干余，东城城墙之下，尸体堆积如山。得益于从襄阳赶到的桓石康的一万精兵的帮助，守城方倒也咬紧牙关守住了城池。
正当所有人都以为进攻方的进攻要偃旗息鼓的时候，位于南城水门处发生了惊天动地的爆炸。两艘装满了劣质炸药的小船借着夜幕的掩护，突入水瓮城之中。城头的守军按照惯例以火箭射击引燃，正好将船上满载的火药点燃。两船炸药，重量达数百斤之巨。爆炸之后，将水瓮城以及水城门炸的四分五裂。水面和水下所有的设施全部被摧毁，城墙都被掀飞了半边。
大量的水军乘机从水门攻入城中，江陵城瞬间告破。
刘裕心硬如铁，他甚至没有让任何人感觉到，他在东城的猛攻其实是佯攻。付出数干人阵亡的代价，付出大量炮弹轰城猛攻城池的举动其实只是为了麻痹对手。给水军偷袭南水门创造机会。确实，所有人的目光都聚焦在东城的战斗的时候，谁会意识到刘裕会来这么一手。
水门爆破之后，刘裕的水军冲入水门进入城内。得知消息的守军登时大乱。桓石康强令之下，东城兵马才得以保持秩序，桓石康命手下将领率三干兵马前往南城增援。
同时桓石康命人前往禀报桓玄，让桓玄不要担心。因为刘裕的水军兵马并不多，冲进城里来的也不过数干人，配合着南城兵马和自己增援的兵马，当可控制局面。对方的兵马一时也难以增援，因为要从水门进城，需要乘坐船只。对方并没有大量的船只运送兵马进城，况且那也需要时间。只要南城守军坚守破损水城门的城楼，还是可以阻断对方的增援，为城中兵马清理进入城中的兵马争取时间的。
桓石康让人告诉桓玄，一定不要因为水门告破便慌乱，眼下是最为关键的时候，必须要展现信心，鼓舞士气。最好陛下亲自率亲卫骑兵赶往南城，参与剿灭进城兵马，控制局面。
桓石康不愧是桓豁之子，桓豁之子个个是领军的猛将。从桓石虔开始，没有一个是脓包。桓石康虽然和他的哥哥们比起来名声不显，能力似乎也不济，但是此时此刻，却绝对是桓玄身边出类拔萃之人。
然而，桓玄不这么想。水门被攻破的那一刻，他已经决定逃跑了。
确实，站在他的角度上，数十万大军在数月之间灰飞烟灭。自己从建康的宝座上如丧家之犬一般逃回了江陵。纵使再强大的内心也崩溃。过去几个月，他在睡梦之中都经常梦见江陵被攻破，自己被敌军包围，被砍得血肉模糊的情形。在他的内心里，早已如惊弓之鸟一般。信心已经丧失，哪有和敌人决战的勇气。他在脑海中无数次的演练过逃跑的场面。他当然不想放弃江陵，但城门被破已经是他的底线了。
况且，他的皇后刘氏哭哭啼啼的拉着他年幼的儿子桓升哀求桓玄，一定要保住儿子的性命。无论如何不能让皇嗣断绝云云。这更增强了桓玄要逃走的想法。