此时的南京之中，张勋统帅的清军有江防军步兵、炮兵、骑兵总20个营，王友宏巡防营10个营，赵会鹏巡防营5个营，两江总督府卫队1营，江宁将军铁良八旗步兵1营、骑兵1营，张勋在南京组建的临时步兵20个营，总兵力约为三万人。
而在城外，有南京革命军徐绍桢部14000余人，苏州革命军刘之洁部的5000余人，镇江革命军林述庆部6000余人，浙省革命军朱瑞部4000余人，江南革命军徐宝山部3000余人，沪军洪承典所部3000余人（多为上嗨商团与革命青年学生组成），粤军黎天才部2000余人，广西革命军2000余人，江西革命军1800余人，福建革命军1500余人，江北革命军2000余人，安徽革命军3000余人，云南革命军2000余人，另外还有被陈其美逼走的沪上光复军章太炎部5000余人，参与革命的帮会与哥老会等2000余人，此外尚有民夫等总计约七万人。
清军与革命军实力对比非常明显，但双方均对对方的底牌毫不知情，张勋统帅三万军队以为自己军力强大无人可敌，而革命军却连自己军队的具体数量都不清楚，各部互不统帅着实麻烦。
但是一旦革命军下定决心之后，清军的麻烦就来了。
孙逸仙以黄兴作为南方革命联军总司令，下达对南京的总攻，虽然黄兴作为一个屡战屡败的指挥官被大家所诟病，但是黄兴身上永远充满着昂扬和永不妥协的斗志还是感染了大家。而后，革命联军兵分三路，南京革命军（原北洋新军第九镇）徐绍桢部与南方革命海军组成北路军，攻打乌龙山炮台与幕府山炮台；苏州革命军刘之洁部、镇江革命军林述庆部做南路军攻打雨花台，肃清南京外围阵地。其余各省联军组成主力中路军，进攻孝陵卫一代清军阵地，三路合围南京，再加上海军在长江上巡视，南京必定一战而下。
1月2日上午9点，南方革命联军与清军率先在马群、孝陵卫一线接战，骄傲自满的张勋亲自率领心腹部队江防军出城迎战。浦一接战，南方革命联军便气势如虹如猛虎下山，各部异常骁勇，黄兴下令粤军与浙军从左侧包抄，光复军从右侧包抄，将张勋的自信达成了筛子，清军长江江防军全线败退，张勋为了避免被包了饺子，连忙下令撤退。
在清军江防军撤回南京城内的同时，苏南革命军各部开始对乌龙山的总攻，乌龙山炮台位于南京城东北三十公里处，具有极其重要的战略地位，明朝时便开始修建炮台，到了清代更是加固了炮台。抗日战争中，乌龙山炮台在阻击日军进攻南京中发挥了重要贡献，后被日军拆毁，解放后重新修缮并修建了乌龙山公园开放给市民参观。
革命联军海陆两路齐攻，结果徐绍桢率领的苏南革命军刚刚抵达乌龙山，却见乌龙山上的炮台挂起了白旗。原来守卫乌龙山的清军眼看敌军势大，且他们大多数又都是江蘇本地人组成，对清政府早就不满，如果不是张勋一直给他们发放军饷，大家早就参加革命党了。如今革命党发起总攻，大家也不必自寻死路为大清朝送葬了，于是挂起了白旗宣告起义。
徐绍桢见乌龙山炮台不战而降，便一鼓作气顺着长江向上（西）行军，抵达另一处长江炮台幕府山炮台。幕府山炮台并没有选择投降，而是在统领的带领下与苏南革命军激战，双方激战一夜之后，苏南革命军伤亡两千余人，终于攻克了幕府山炮台，清军余部撤出炮台逃到了南京城内。
2日晚间，马群、孝陵卫相继被革命联军占领。
张勋回到南京城内之后重新集结军队，并率军8000余人试图夺回孝陵卫外围阵地和炮台，双方夜间激战一宿，联军伤亡惨重。至天明时分，沪军洪承典部与广西革命军赶到，将张勋所部再次包围。张勋率军突围，再一次返回南京城内。
此役张勋所部阵亡3000余人，被俘400余人，丢弃大炮十几门，与此同时，革命联军伤亡高达8000余人，其主要原因还是各部互不统属，被张勋的清军夜战袭击之后乱了阵脚，而后各部混在一起，甚至黑夜之中自相残杀起来。如果不是天亮，如果不是沪军和广西革命军的到来，恐怕革命联军伤亡更加惨重。
由于正面战场马群、孝陵卫一代革命军伤亡太过惨重，黄兴下令暂时休整一天，孙逸仙也来到阵地上慰问伤员，给革命士兵们加油打气。孙逸仙的到来让革命士兵们非常感动，纷纷劝他回到后方，以免被炮火流弹伤到。
孙逸仙大义凌然道：“诸君十几岁年纪尚且不怕死，孙某人快入土的人了，岂能贪生？”诸将大为感动，刘通在后面心说孙先生你也太能拉拢人心了。
3日一早，南方革命联军总司令部受到了南路军的消息，刘之洁与林述庆的南路军已经在昨天连夜攻克雨花台外围阵地与狮子炮台外围阵地，现在正在全力攻打狮子山炮台。
张勋知道狮子山炮台的重要性，如果被革命联军占领狮子山炮台，他们的大炮就可以直接将炮弹扔进南京城内，双方在此苦战不已。
4日，革命联军重整旗鼓，对南京城发起总攻，张勋来不及支援狮子山炮台，而刘之洁派遣的原第九镇的同僚也趁机来到狮子山炮台中拉拢旧僚，希望大家不要再兵戎相见，江蘇人不打江蘇人。眼看朝廷援军无望，张勋又是一个外省人（江西人），狮子山炮台的守军也为大清朝尽力了，于是宣布投降。
至此，南京城外