刘良佐正急得了不得，李成栋已率兵赶到，率生力军去猛扑一番，也被守兵击退。
李成栋大怒，将黄蜚、吴志葵，推至城下，令其劝降阎应元。黄蜚缄口无言，还是吴志葵说了数语。阎应元答道：“大明有降将军，无降典史。”
刘良佐亦拍马向前，遥语应元道：“区区江阴，宁能久守，若变计降清，爵位不在良佐下，请足下三思！”
阎应元道：“大明养士三百年，不料出汝等侯伯，毫无廉耻。应元犹有心肝，宁为义死，不为利生。”
随后一声炮响，火箭齐发，吓得刘良佐连忙倒退，拍马而回。黄蜚、吴志葵已被火箭射伤，由军士牵回清营。
豫亲王多铎闻知江阴久攻不下，极为震怒，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。加上贝勒勒克德浑平定松江后所率的李成栋部，此时已有二十四万大军来到江阴城下。
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，清兵轮番攻城不息，阎应元指挥防御，连续七天浴血奋战，终保江阴城池不失。
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。
阎应元看出这是博洛的缓兵之计，遂道：“只斩我一人？我没有罪，凭什么杀我！”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。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。粮食也越来越少，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。
博洛又令数百人，把二百余座大炮全部搬到花家坝，专打东北城。然子穿透洞门十三重，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。
刘良佐踞坐在明佛殿，见阎应元来了，跃起，两手拍应元背而哭。阎应元道：“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，阎应元遇害。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。陈明遇举家自焚，冯厚敦自缢殉节；妻王氏，与其孀妹结衽投水死。满城男妇，无一降者。后世将冯厚敦与阎应元、陈明遇和称为“抗清三公”。
清军攻破江阴后又开始屠城，百姓或力战到底，或坦然就义，都以先死为幸，妇女多贞烈，投河而死。七岁孩童毅然就义，无一人顺从。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。
沧海横流方显英雄本色，在江南各地望风披靡之时，阎应元、陈明遇、冯厚敦率十万义民，面对强敌，临危不惧，坚持了近三个月，面对二十四万清军铁骑，两百余门重炮，困守孤城八十一天，使清军连折三王十八将，死七万五千人，重挫了清寇锐气，钳制了清寇主力南下，推动了各地的抗清斗争。在城破以后，仍拚死巷战，“无一人降者”，“史称江阴八十一日”。
从此以后，整个江阴地区的人们都采取了对清廷不合作的态度：不当清朝的官，不应清朝的举。直到乾隆年间，乾隆给阎应元在江阴修祠，主动向江阴示好，局面才有了改观。