楚军追到城下后，郦食其通过观察，道：“敌人可能又是从关中送来的工匠，没有作战经验，我估计所有的正规军加起来也不会超过两万人，而我军也有三四万人，从人数上占绝对优势，况且兵法上有‘倍则围之’的话。现在应该把洛阳的东、南、北三面围起来攻打，只留下西门，这样敌人就只考虑逃命的事情，而不会拿出百倍的勇气作战啦。如果相持的时间一长，敌人可能就会弃城而逃。”沛公沉思良久，便同意了郦食其的建议，然后分派了攻城的部署，将兵马分成三部分。
沛公也加入了战斗，他亲自率领樊哙、周勃攻东门，曹参攻北门，灌婴、郦商攻南门。命令下达后，三路楚军就像的三团烈火一般向城下席卷而去。那些腾空竖起的云梯如同登天的梯子，架在了洛阳城的城墙上面，将士们就发出了惊天动地的呐喊：“冲啊！为了早日打进关中，消灭残暴的秦国！前进！杀呀！……”远看那些攀爬云梯的军士就如同是蚂蚁爬在了悬崖的青藤之上。
秦军也奋起了抵抗，他们不停地推倒云梯，再向下投掷石块、檑木和飞镖，而攻城的楚军如同潮水一般，一拨接一拨向城下涌来，大地在呻吟，死神也在每一处战场上降临。三路楚军在各自将领的率领下，战了两个时辰，密如飞蝗的流箭在天空中飞过，双方的士兵随时随地倒下了。可是从城上打下来的坚硬的石块和滚圆的檑木却把楚军的头盔、铠甲给打破、碰碎了，有的石头把楚军击昏甚至打死在地上。眼看楚军的队伍逐渐地变得混乱起来了，各路督战的楚军将领就声嘶力竭般地呼叫：“大家要顶住，不可混乱！杀啊！”前沿的楚军多次遭到了秦军的猛烈攻击，他们不得不向后退却，更为可怕的是，前面的人把后面的人挤翻，又踏着倒下的尸体向后退却，将领们也没有办法制止这种局面了。
洛阳东门的战斗最为惨烈，沛公看到楚军逐渐抵挡不住了，就问左右怎么办。郦食其在情急之下，就让沛公命令军士们把盾牌拼在一起，举在头上，组成了一个伞盖似的方阵，用它来抵挡从城头上扔下来的各种攻击物。楚军就在这种伞盖的掩护下，士兵们就组成了一个非常庞大的长方形阵势，将士们冒着镖林矢雨慢慢向城门逼近。躲在盾牌下面的军士只听见有无数的石块和箭镞撞落在了盾牌上面，击打着盾面发出了震耳欲聋的声响，这种阵势就发挥了强大的作用，它保护了下面的军士，使大家免受伤害。沛公见军士们组成的盾牌阵一步步地向城门逼近，悬着的心才放了下来。
等盾牌阵刚好开到城门跟前时，前方突然亮出了一根硕大无比的粗大圆木，原来这是一个临时做成的简易撞车。这根木头是用绳索绑在一个大支架上，支架的下方安装了轮轴和木轮。为了不让敌人发现它，楚军用盾牌遮得严严实实。当撞车开到城门下时，就发挥了巨大的威力。撞车对着深红色的大城门，如同发怒的公牛看见了挑逗它的红色布片一般，用抵角横冲直撞。高大厚实的门板就发出了轰隆、轰隆的巨响，门缝和门框上，堆积了多年的陈土老埃就被震落了下来，跟前的军士直呛得干咳不停。
眼看郦食其的办法就要成功，谁料城头上急得满头大汗的郡守赵贲却大声嚷嚷道：“要是城门被捣破，洛阳就完了啊！”说完就立即命令数十名大力士抬来十几块大石头，他们在同伴的掩护下，就将大石头抛掷下来，楚军的盾牌阵被砸开了一个大缺口。秦军的射手紧接着就向缺口里密集地射箭，撑盾牌的楚兵倒下去了。那个大缺口就如同一个恶性肿瘤，在慢慢向外延伸扩散，以致于越来越大，最后盾牌阵终于垮了。赵贲和秦国的将领见此情景，愈加振奋，就在城头上大声鼓励士气，还亲自向下继续抛掷石块和飞镖。一会儿，盾牌阵终于被粉碎了，那根硕大无比的撞木也淹没在了箭矢火海之中，城门保住了。
进攻北门的楚军在曹参的指挥下，向守城的秦军发起了猛烈的攻势，双方士兵从一开始就激烈地拼杀起来，战斗持续了一个时辰后，楚军的弓箭手就把城上的秦军射死了一大片。此时曹参的步兵队长徐伊看到城墙上有一处空缺，就立即带头顺着云梯爬了上去。徐伊在前面舍生忘死地为身后的战友开辟攀登的道路。可是万万没有想到，秦军看见了他，就一起来到女墙前死死地封锁了云梯和城堞衔接的地方。当徐伊的头刚刚露出女墙时，就被抛出的石块击中了，顿时仰面掉下去摔死了。随后秦军又用大石头猛砸云梯，云梯也被石头砸断了，下面跟着攀爬的楚军也重重地摔了下去，他们一个个死的死伤的伤。
曹参看到这一情景，心中如同刀割，他忽然发现有一员秦将如同一头猛兽一般，抱起石头就往下投掷。曹参异常愤怒，亲自张弓搭箭，一箭射去，秦将立刻翻身倒下。谁料身后又跃出了一员将领，继续指挥战斗。
在南门，灌婴和郦商指挥攻城，也因为秦军过于猛烈，楚军根本攻不上去，许多士兵都倒下了。二人看到此情景，心里很是着急，就一起商议。郦商坚持让灌婴留下指挥，他要亲自去攻城。灌婴没有办法，只好同意了。郦商于是亲冒矢石向城下攻去，他来到城壕边，从地上扶起一把云梯，架过壕沟冲了过去，然后将云梯竖在城墙上开始攀爬，一边爬一边传令让下面的箭手做掩护。可是秦军从上面不停地抛下重击物，郦商就用盾牌顶着艰难地爬行。秦军看见无法阻止郦商，就往云梯上浇洒鱼油，然后点燃云梯。郦商无法上去，只好退了下来。正因为秦军将士如此不要命地反抗，再加上郡守在第一线指挥，郡尉也参加了战斗，楚军最终也没有攻下城池。如此血腥的战斗整整持续到了天黑，战斗才宣告结束。等到楚军全部撤下来时，大家都已经疲惫不堪了。
等楚军们吃过晚饭后，夜已经深了，就在洛阳城东的一片开阔之地上扎营休息。白天的喧嚣已经过去，沛公就在大帐里召集将领们商议军务。大家你一言我一语地说了一阵，最后萧何提议道：“眼下我们应该联络子房先生，若是和韩军一道进攻洛阳，就一定能够打败秦军。”沛公听了萧何的话，沉思半晌，认为这个办法不错，就再次派出一名特使，让他赶往颍川和子房先生取得联系。
赵贲见楚军无法获胜，顿时信心大增，就立即派人去通知东郡的杨熊，请他尽快起兵，从后面进攻楚军，一定要将刘邦围歼在洛阳城下。特使就向东郡赶来。杨熊得知沛公攻打洛阳受挫，简直高兴极了，就以袁央、杨春、潘龙、金丑父四将为前部，即刻起兵南下，向洛阳杀奔而来。河内郡的郡守窦先也率军前来增援。
洛阳城下，有一天，郡尉韩蒙到城外巡逻时抓到了沛公派往颍川的那名特使，就押来见郡守，还从身上搜出了沛公写给张良的信。赵贲才知道沛公的联韩计划，就对部众道：“洛阳的东南面有座轘辕山，山上有个轘辕关，是三川通往颍川的咽喉，刘邦联韩一定要通过那个关口，只要我们守住此关口，叛军的联韩计划就会破产，更何况杨熊将军和河内郡守窦先已经在南下的路上，十多天后他们就会到达洛阳，朝廷又从函谷关抽调了一万名甲士。各路兵马不久就会全部到达。那是我们前后夹击，刘邦必将死无葬身之地！”郭凤又自告奋勇道：“赵大人，若是再派一军去加强轘辕关的守卫，关门就会牢不可破！”郡守认为此计可行，就问谁去助守。郭凤朗声道：“末将愿往！”赵贲大喜，就立即派他前往。