太平天国方面，自打破江南大营以来，天京附近已有两年不见敌军。湘军突然进逼天京，令太平天国方面措手不及。洪秀全等虽然觉得安庆既然失去，湘军一定会顺流东下进攻天京，但没想到来得这样快。因此洪秀全非常着急，他一面下令布置防守，一面严催李秀成回援天京。李秀成这时正与李鸿章及与淮军配合的常胜军在上海一带苦战，双方打得难解难分。因此，李秀成并不愿立即回援天京。他认为天京城高池深，曾国荃一时无力攻破，自己只要源源不断将粮草弹药送回天京，天京可保无虞。另一方面，曾国荃军锋锐正盛，再加上有湘军水师与其配合，暂时不可能像击溃江南大营那样打败曾国荃的军队。待二十四个月以后，曾国荃锋锐渐钝，士气懈怠，再聚集兵力将其击破。但是洪秀全这方面却不容李秀成拖延，洪秀全一日三诏，命李秀成回援。他的诏书中说：“三诏追救京城，何不启队发行？尔意欲何为？尔身受重任，而知朕法否？若不遵诏，国法难容！”李秀成无奈，只好一面将老母、妻、子送回天京，交给洪秀全，表示自己决无他意，一面策划救援天京。李秀成对如何救援非常慎重，从6月到8月，曾两次召集将领们会议。最后决定，分三路救援天京。第一路主力由李秀成率领，直接攻击曾国荃，救援天京；第二路由陈坤书率领，攻打曾国荃的后路金柱关，目的是切断曾国荃的饷道；第三路由杨辅清、黄文金、胡鼎文等率领，攻打已被湘军鲍超攻陷的皖南宁国，让鲍超、张运兰、朱品隆不能增援曾国荃。
太平天国的援军尚未到达金陵，湘军这边就出了大麻烦，这就是可怕的流行传染病。自六月以来，湘军中疾疫流行，据曾国藩历次的奏报，曾国荃军营中得病的超过万人；负责进攻浙江方向的左宗棠部生病的足有一半，这还算是轻的；皖南各军，张运兰部、朱品隆部以及唐义训部十人中病了六七个；最严重的是鲍超所部，病的竟有上万人，几乎人人皆病，每天有数十人死亡。曾国藩后来记述道：
我军薄雨花台，未几疾疫大行，兄病而弟染，朝笑而夕僵，十幕而五不常爨；一夫暴毙，数人送葬，比其返而半殕于途。近县之药既罄，乃巨舰连樯，征药于皖鄂诸省。
湘军高级将领中，鲍超、杨载福、曾贞干、朱品隆等人一齐患上重病。张运兰之弟、曾国藩曾认为比张运兰还会打仗的张运桂已经病死，张运兰送其弟之遗体到后路的祁门，不料自己竟也随着病倒。而张运兰军帮办文案的文员，病死达十六人。曾国藩无奈，只好让张运兰回籍养病。由于疾疫流行，大大降低了湘军的战斗力。皖南战场，鲍超因病到芜湖休养，命韦志浚和新由太平天国投降的洪容海（即童容海，降湘军后改名）守皖南重镇宁国，但韦志浚也染上了疫病，只得到芜湖休养，宁国遂被太平军攻占。这样，鲍超等部不但无法增援金陵的曾国荃，连自己能否抵挡得住太平军的进攻，甚至能否生存下去都成了问题。屋漏偏逢连夜雨，这边湘军疾疫流行，镇抚皖北的李续宜又接到母亲去世的消息。曾国藩本想按照从前胡林翼的例子，李续宜回籍治丧后，过几个月便来安徽继续主持皖北军事，捻军要他镇压，时服时叛的苗沛霖也需要李续宜震慑。不料李续宜回籍后不久，自己也一病不起，于1863年12月死在湘乡，这使曾国藩又少了一个得力助手。李续宜回籍，另一个在淮北督师的漕运总督袁甲三也病重不能理事。袁甲三虽非湘系，但与曾国藩关系较好，李续宜要回籍，袁氏又病，淮北对付捻军的事情还需要曾国藩亲自管起来，曾国藩自觉精力不足，更加穷于应付。
诸多不顺的事，让曾国藩内心非常忧烦。他既担心金陵军营在太平军即将到来的援军攻击下像江南大营那样溃败，又担心胜利后功高震主，后事难料。因此，又时常有些伤感。他多次嘱咐曾国荃和曾贞干要小心从事。1862年8月23日，在写给他两个老弟的信中说：“余寸心忧灼，未尝少安。一则以弟营与鲍营病者太多，为之心悸；二则各县禾稼，前伤于旱，继而蝗虫阴雨，皆有所损，收成歉薄，各军勇夫七万人，难于办米；三则以秦祸日烈，多（隆阿）公不能遽了，袁（甲三）、李（续宜）皆将去位。长淮南北，千里空虚，天意茫茫，竟不知果有厌乱之期否？观民心之思治，贼情之涣散，金陵似有可克之机。然古来成大功大名者，除千载一郭汾阳外，恒有多少风波，多少灾难，谈何容易！愿与吾弟兢兢业业，各怀临深履薄之惧，以冀免于大戾。”
曾国荃和曾贞干也曾指望多隆阿会来援。但曾国藩告诉他们，陕西大乱，听说死者已达四五十万，“较三江两湖之劫更巨”，他已经不好意思再奏调多隆阿回来。大股援兵无法指望，就只有靠自己。他告诉两弟：“身居绝地，只有死中求生之法，且不可专盼多军，致将卒始因求助而懈弛，后因失望而气馁也。”
就在湘军因疫病陷入困境的时候，1862年10月13日，李秀成率大军来援天京，援军声势浩大，号称六十万，湘军方面的记载说有三十万。据太平天国史专家茅家琦先生估计，大约在十万人左右。而湘军方面在天京一带的兵力，如果不算水师的话，只有二万多一点。双方人数对比过于悬殊。武器装备方面，由于李秀成的苦心经营，太平军使用的洋枪洋炮，也超过了湘军。自李秀成来到这一天起，太平军东自方山，西至板桥镇，连营数百座，旗帜如林，把这两万湘军层层包围起来。
太平军开到当日，便分东西两路大举进攻。李秀成的攻势十分骇人，据曾国藩奏报，是“洋枪洋炮，子密如雨，兼有开花炮弹，打入营中，惊心动魄”。曾国荃将部队一分为三，两部分预防城内太平军突袭，一部分亲自率领抵敌李秀成援军。湘军不仅每营都筑有堡垒，而且在整个营盘外又筑了濠和墙。
10月22日，太平天国侍王李世贤又率三四万军队来到，战斗更加激烈。太平军不仅用枪炮环攻，还开挖地道企图攻进湘军的濠墙之内。湘军极力侦察地道位置，曾国荃还命令在外面濠墙之内再挖、筑濠墙一道，准备万一太平军攻破外墙后收缩战线。曾国藩后来奏报说，这天太平军用木板当作盾牌冲锋，像蛇一样盘旋前进。濠外开花崩炮横飞入营，烽燧蔽天，流星匝地。太平军大声呼喊，带草填濠，湘军用长矛击刺，太平军前者死亡，后者跟进，不肯退却。就在22日这天，统帅曾国荃中枪，子弹从右唇打入，从左边脸穿出，鲜血洒满了衣襟。幸好打中的不是要害，伤势不算十分严重。假如枪子再偏一点，要了曾国荃的命，战局就完全是另外一回事了，这也算曾家和清政府的运气。曾国荃虽然侥幸没死，但是他手下的部将左传贵、倪桂先后战死，尤其倪桂是曾国荃手下的得力勇将，可以说湘军是损失惨重，但是太平军这一波的攻势总算顶住了。10月25日以后，太平军表面上的攻势缓了下来，实际上却在暗挖地道。在这期间，曾国藩费尽心力援助曾国荃。他请驻防扬州的都兴阿派五营，派驻芜湖的王可升所部三营，甚至派了他的护军四百人，总共三千七百人增援曾国荃。虽然没有大支队伍增援，这些兵也算是雪中送炭了。
11月3日，太平军挖好了两条地道，只听一声巨响，烟尘蔽天，石、土飞上半空，湘军营墙被轰塌十余丈。太平军“万弩齐发，排炮雷轰，踊跃争先，呼声动地”，数千人趁机冲入外墙以内。湘军一面守住内濠，一面组织反冲锋。这场惨烈的厮杀持续了一天，太平军大败，损失了近万人，湘军也伤亡几百人。
太平军声势虽然大，但大部分军队不够勇敢。经过11月3日这场战斗后，太平军不再组织大规模冲锋，而是另外设法。太平军在西线引长江水，企图淹没断绝湘军往来联络之路及后勤补给线；东线则专门挖地道以图再举。湘军针锋相对，在西线高埂处增修小营，又调水师小舢板与陆营相依护，保住了粮路；东线则也挖地道或深沟，一旦与太平军地道相遇，便灌烟灌脏水，迫使太平军撤出地道。湘军还不时主动出击。
相持到11月26日，天气已寒，太平军既无冬衣，粮食也将断绝，只好撤退。这场惊心动魄的战斗，整整持续了四十六天。
这一仗对太平天国和湘军都至关重要。如果李秀成、李世贤能歼灭曾国荃，就像三河之役歼灭李续宾一样，湘军必将全面瓦解，因为皖南战场的湘军病亡累累，抵挡杨辅清已经非常困难，若李秀成以得胜之师冲向皖南，皖南湘军肯定经不住雷霆一击。皖北战场太平军若与捻军联合，清军也将无法抵敌。整个清朝和太平天国的对抗局势都将改观，甚至中国近代史也可能改写。退一步，若太平军能够击溃曾国荃，使其不得不在水师配合下撤离天京，那样也将给湘军造成极大困难，其形势可能会像1855年初曾国藩湖口惨败之后那样，湘军的攻势必将停顿下来，形成双方对峙的局面。
当时各方面情况都有利于太平天国：兵员占绝对优势；新式枪炮多；城外援军和城内守兵可以互相配合，两面夹击；湘军方面孤军冒进，不像以往那样有围城之兵，有打援之兵；湘军不仅兵员少，而且因疾疫造成巨大困难，每营五百人，能出战者常常不到二百人。唯一有利于湘军的，就是因为有水师配合，能保证粮食、弹药的供应。
就在这种情况下，太平军还是没能取得胜利，反而在围攻战中损失了几万人。这一结果不是偶然的，太平天国的军队与湘军不同。湘军有一个兵就有一个兵的战斗力，不能打的、临阵脱逃的都会被勒令滚蛋，这是湘军还在湖南境内作战时就定下的规矩。也是因为粮饷有限，不能养多余的兵。所以湘军与太平军对阵时，常以少数对多数。太平军方面，常常数万甚至十数万人，有时甚至几十万人，但其中真能作战的很可能不过只占全部兵力的十分之一，其它部队都是壮声势的。此次金陵会战，明显反映了这种不同。军队作战，战略战术固然重要（曾国荃孤军深入，战略上已输一筹），但是当关键时刻，则是两军相遇勇者胜。王闿运在叙述这次战役时说，太平军声势浩大，“然罕博战，率恃炮声相震骇。盖寇（指太平军）将骄佚，亦自重其死，又乌合大众，不知选将，比于初起时衰矣”。这可以说是这次战役胜负原因的一个最好的注脚。
曾国荃虽然顶住了李秀成的进攻，但也受到了沉重的打击。“伤亡五千，将士皮肉几尽，军兴以来，未有如此之苦战者”。对曾氏兄弟打击更大的，是1863年1月7日（同治元年十一月十八日）幼弟曾贞干病死军中。当湘军中流行疾疫时，曾贞干就已经生病，此后时好时坏。李秀成和李世贤大军来攻时，曾贞干主要负责保三汊河后路粮饷通道，劳累自然过度。大敌当前时勉强支撑，敌退后终于全面崩溃以至一命呜呼，年仅三十四（周）岁。至此，为了与太平天国作战，曾国藩已有两个弟弟丧命。他为幼弟先作挽联：“英名百战总成空，泪眼看山河，怜予季保此人民，拓此疆土；慧业多生磨不尽，痴心说因果，望来世再为哲弟，并为勋臣。”三天后又作一副：“大地干戈十二年，举室效愚忠，自称家国报恩子；诸兄离散三千里，音书寄涕泪，同哭天涯急难人。”这两副联语文笔都不错，其中“望来世再为哲弟”、“音书寄涕泪”，可以说都是真情流露。
经过这番厮杀，曾国荃虽然侥幸逃过了覆灭的命运，但湘军已经精疲力竭了，曾国藩想让曾国荃趁势以追击退却的太平军为名，退出金陵一带，曾国荃无论如何也不肯。征求左宗棠意见，左也主张不退兵，曾国藩只好命曾国荃小心防守。又嘱其将军队分为两部分，一支称为“呆兵”，专负责防守金陵大营；一支称为“活兵”，即机动部队，可以出营进攻，也可以在营防守。两支兵可以互换。1863年3月17日，曾国藩由安庆启行赴金陵曾国荃营，一路察看池州（今贵池）、芜湖、金柱关等处营盘，3月24日，抵达曾国荃大营。曾国藩在金陵湘军营盘及水师考察了十天，见营盘严整，士气亦高，这才放心回安庆。
太平天国方面，李秀成攻湘军营垒没有成功，天王洪秀全严厉斥责，并命李秀成渡江进攻江北，意在攻江北以缓解天京的围困，并试图与原来陈玉成所派远征西北的陈得才部联络。1863年2月，李秀成率八九万军队渡江北上，冲破清军李世忠部的防线，辗转攻占了和州、含山、巢县，并得到捻军的呼应。曾国藩已料定太平军仍沿用“围魏救赵”的老一套战术，因此他的策略是只守定安庆、无为、庐州（今合肥）、舒城数处，此外无论太平军占何地，均可以挽救。太平军虽攻占了数个城池，但湘军的对抗也越来越强，曾国藩又调鲍超增援北岸，不久太平军就陷于缺粮的困境，加上曾国荃加紧对天京的围困，洪秀全命李秀成回救天京，李秀成只好于5月回师。但在回师途中遭到湘军和别支清军的屡次攻击，尤其再渡长江时遭到湘军水师的袭击，损失惨重。扫北之役，太平军又损失数万人。而江浙战场李鸿章、左宗棠又步步进逼，太平军再也无力发动对金陵湘军的大规模进攻了。
经过四十六日的苦战和太平军李秀成扫北之役，曾国荃终于在金陵站稳了脚跟，而太平天国方面则更加困难了。