1861年11月，清政府任命曾国藩节制苏、皖、浙、赣四省军队。安庆保卫战失败后，曾国藩吸取江南大营两次被击溃的教训，提出了“欲拔本根，先剪枝叶”的方略，从东西两个方向对天京实施多路向心进击。湘军主力曾国荃部的陆军，彭玉麟部的水师，顺江东下，先后占领东西梁山、和州、巢县，于1862年5月底逼近天京。陆军驻扎雨花台，水师停泊护城河。而李鸿章则率淮军6500人分批船运上海，勾结英、法侵略军与“常胜军”阻挡太平军进攻上海，并作西攻苏州、无锡、常州的准备。浙江巡抚左宗棠率军万余由江西入浙，步步东逼。天京已处于湘、淮军的战略包围之中。
此时，陈玉成已于安徽寿州（今寿县）被苗沛霖诱执后殉难。因湘军威胁天京，洪秀全一日三下诏，急令在上海前线督战的李秀成回师救援，并派专使至苏州坐催，面责李秀成有独立称王之意。本来，洪秀全深深担心李秀成权力过大，难于驾驭，就在1862年一年内，先后分封李秀成部下陈坤书、童容海、谭绍光等十余人为王。这种做法虽然达到了分割李秀成指挥权的目的，但此例一开，封王之滥一发而不可收拾，到1864年竟封王两千多个。
6月，李秀成在苏州召集紧急军事会议，商讨回救天京之策。其时湘军攻势正盛，李秀成提出避敌锐气，待其久围不下、斗志减弱之时再行决战的方针，抽调一部分军队，调运大量军火粮食支援天京，增强天京防御能力。同时，李秀成建议将苏福省粮食军火运回天京，广为积贮，用固守以制敌策，使敌顿兵坚城，待两年后，师老力疲，形见势绌，然后一举把它消灭。7月，太平军在皖南宁国（今宣州）、广德一带作战失利，干王洪仁玕、辅王杨辅清即率两万官兵撤至江宁、淳化，回援天京。洪秀全见天京情况日紧，令李秀成立即全师回救。
8月，李秀成再次在苏州召开高级军事会议，议定兵分三路，回援天京。除留谭绍光守苏州外，“十三王”约二十万大军自苏州等地陆续起程，辅王杨辅清进攻皖南宁国，陈坤书等进攻长江南岸重镇金柱关。这两路的主要任务是阻击曾国荃的援兵。李秀成亲率主力于东坝集结，部署于东至方山、西至板桥地域，连营数百，对湘军雨花台大营形成反包围态势。
由于苏、浙太平军西调回天京作战，清军在外国侵略者的帮助下，乘机在东线向太平天国发动疯狂的进攻。在江苏方面，由英国军官戈登带领的常胜军协助李鸿章淮军以上海为基地，向苏州进攻。在浙江方面，以英国组织的常安军、定胜军，法国组织的常捷军协助左宗棠湘军向浙江进攻。这样，太平天国就陷于两面作战的泥坑之中。淮军已攻陷太仓州、昆山，进逼苏州。8月，左宗棠部湘军攻陷浙江富阳，进逼杭州。10月，苏州失陷。这时，天京已不可能再守。
10月13日，李秀成进攻天京城外雨花台湘军大营。李秀成将队伍分成两部，并亲率大军轮番猛攻湘军曾国荃大营及驻扎在大胜关一带的曾贞干部，太平军或挖地道，用炸药爆破敌垒；或捆草填壕，奋勇冲锋，企图一鼓而下。湘军则采取以逸待劳、缩营自保之策，凭借深沟高墙，固守不出，待太平军迫近，才发枪炮射击。两军对垒，战斗进入相持状态。23日，李世贤率军三万，从浙江衢州赶至天京南郊，协同李秀成大军并力攻击湘军大营。湘军则收缩战线，调曾贞干部四千人来大营加强防御。
11月3日，太平军集中力量攻湘军东路，轰塌湘军大营两处营墙。湘军拼命抵抗，太平军往返冲杀五六次，终不得入。太平军又用地道向敌进攻，湘军以挖对挖，每挖通一处地道，或熏以毒烟，或灌以秽水，或以木桩堵洞口，使太平军的地道连连失效。湘军负隅顽抗，因其有长江水师的支持，粮饷、军械、援兵源源不断，而太平军不但军粮不足，而且时至初冬，尚无寒衣，长期坚持大兵团攻坚战有实际困难。11月26日，李秀成、李世贤围攻雨花台曾国荃军营月余不下，只得下令撤围。李世贤率部退秣陵关，李秀成率部入天京。至此，十三王回援天京的作战彻底失败。
天京解围战失败后，李秀成被“严责革爵”。洪秀全见解围未果，又定下“进北攻南”计划，决定再次采用1860年破江南大营的策略，责令李秀成率军北渡长江，绕过安庆，西袭湖北，以调动湘军分兵回援，缓解京围。1862年12月，第一批太平军数万人从天京下关渡江，进军皖北。1863年2月底，李秀成率第二批部队渡江，并于3月占浦口，4月占江浦。由于当时沿途各地已被敌人破坏得一片荒凉，粮食供应困难，加上处处受到阻截，队伍遭到严重损失。而曾国藩已识破太平军企图，令曾国荃坚守大营，不为所动，继续围困南京。
因天京形势紧急，洪秀全不得不再急令李秀成速回天京。6月20日，李秀成率部由九洑洲南渡抵京。“进北攻南”战略失败，李秀成损兵折将，锐气大伤，失去太平军将士数万人。从此以后，太平军就无力再组织大规模的进攻，不得不转入凭借城防工事的消极防御，而湘军则由原来的坚守顽抗转为疯狂进攻，相继进占南京周围的上方门、高桥门、双桥门、七桥瓮、江东桥等据点，以及外围的东坝、秣陵、湖熟、淳化等要地，天京城南百里之内已无太平军踪迹。
到1863 年11 月，清军已攻陷天京外围和长江以北所有城镇、要塞，外援断绝，天京肯定守不住了。李秀成向洪秀全提出“京城不能守，曾帅兵困甚严，壕深垒固，内少粮草，外救不来，让城别走”的建议。又说：“不如舍天京，尽弃苏浙两省地，御驾亲征，直趋北方，据齐、豫、秦、晋上游之势以控东南。其地为妖兵水师所不能至，洋鬼势力所不能及，然后中原可图，天下可定也。”然而，洪秀全不愿战略退却，李秀成无奈，只好抱定与天京共存亡的决心，部署死守。
1864年2月，湘军攻占了紫金山西峰天堡城，随后进至太平、神策门外，完成对天京的合围。清军架设大炮百余尊，对天京城内日夜轰击，又以炮火为掩护，在朝阳、神策、金川各门外开挖地道十余处，准备用火药炸城。
1864年6月，洪秀全在愁病交迫中升天，幼主洪天贵福继位，此时天京城内只有三万人，除居民外，太平军不过万人，能守城战斗者不过三四千人。7月3日，湘军攻占位于太平门东侧紫金山西麓龙脖子的地堡城，太平军失去护城的最后一道屏障。湘军居高临下，整日炮轰，并加紧挖掘地道，埋炸药破城。19日，湘军炸塌城墙，蜂拥而入。守城的太平军与湘军展开寸土必争的巷战，或战死，或自焚，天京最终失守。
天京的陷落，标志着太平天国革命的失败。
太平天国坚持战斗十四年，势力发展到十八个省，攻克六百多个城镇，其规模之宏伟，历时之长久，影响之深远，是历史上任何一次农民战争所无可比拟的。太平天国发动了亿万群众，组织了强大的军队，建立了政权，颁行了革命纲领和政策，并且第一个提出在中国发展资本主义的方案，成为几千年来中国农民战争的最高峰。太平天国运动以暴风骤雨之势，极其沉重地打击了清政府的封建统治，对于外国侵略者也进行了英勇的抗击，同时担负起了反封建和反帝的重任，成为中国近代旧民主主义革命的第一次高潮。但由于农民阶级没有科学理论作指导，太平天国没能推翻清朝的统治，最后被中外反动派联合绞杀了。它的失败给人留下了深刻的教训。它的光辉业绩，激励着中国人民不屈不挠、再接再厉地进行英勇的斗争。