總共才二十多天的功夫，吳哥王國南半部的主要城鎮先後被唐軍占領，吳哥軍隊損失過半，吳哥國王闍耶跋摩一方麵收攏潰兵，一方麵苦思破敵之策。
闍耶跋摩認為，唐軍的的優勢在於強大的水軍和精良的火器，吳哥軍如果硬碰肯定不是對手，必須避實擊虛。闍耶跋摩最後決定化整為零，發動全國各地的軍隊沿途不斷偷襲唐軍，但是又不硬碰，用遊擊戰來消耗唐軍。
鎮南軍占領金邊城以後，水軍溯洞裡薩河而上，陸軍則沿著洞裡薩河北岸前進，向吳哥城進發。唐軍在沿途不斷受到吳哥小股敵軍的襲擊，當唐軍攻擊時，這些吳哥軍立即撤退，當唐軍繼續進軍時，這些吳哥軍繼續襲擾，搞得唐軍非常疲憊。
吳哥軍還經常搞夜戰，在唐軍宿營時派出軍隊過來偷襲，甚至還有吳哥水軍劃著小船趁夜接近唐軍戰船，扔出一些火油到唐軍戰船上，然後射出火箭點燃，燒毀了唐軍好幾艘戰船。
王之孝認為擒賊擒王，隻有打下吳哥城，捉住吳哥王，這些散兵自然消散，所以命令唐軍加快行程，直奔吳哥城。吳哥城位於洞裡薩湖的北岸一帶的平原上，距離湖岸約十公裡，超出了水軍炮火的射程，隻能采取陸上進攻的方式。
唐軍的陸上部隊從東南方向接近吳哥城，而後對吳哥城方向進行防禦，水軍則卸載一些重炮和物資，為進攻吳哥城做好準備。
闍耶跋摩收攏了大量的潰兵，加上原來的守軍，共聚集了6萬軍隊防守吳哥城，並加固城牆，準備了拋石機和大量的火油，決定和唐軍決一死戰。
王之孝派人偵察了一番，覺得吳哥城兵力較多，防守嚴密，要想徹底解決難度較大，決定采取“圍三缺一”方式，擊敗吳哥守軍。
王之孝此次出來，帶了7個襄人團，前麵已經留下三個團，還剩四個團，他決定在城東、城西各派兩個團進行佯攻，鎮南軍在城南進行主攻。
鎮南軍準備充分以後，先讓城東的部隊發起進攻，兩個襄人團向吳哥城緩緩推進，在距城60丈左右的位置停下，準備利用火力優勢進攻城牆上的吳哥軍。
沒想到唐軍開始射擊不久，吳哥軍用拋石機先後拋出一些點燃的火油包，這些火油包落地以後當即破裂，燃燒的火油在唐軍陣形中飛濺，不少襄兵被燒死燒傷，城東的唐軍被迫撤退。
王之孝發現，吳哥軍的準備更加充分，遠非林邑軍可比，決定暫緩進攻，考慮破敵之策。王之孝到城東現場查看了一番，發現吳哥軍拋出的火油基本在100丈以內，最遠沒有超過120丈，算出了吳哥軍拋石機的射擊距離。
王之孝認為，唐軍的炮火射擊距離可以遠超120丈，完全可以發揮炮火優勢，進攻吳哥軍。王之孝命令城東、城西的部隊隻是進行防守，在城南進行主攻，鎮南軍將火炮架在距離城牆150丈左右的位置上，而後開始持續向城內進行炮擊。
剛開始，吳哥軍還用拋石機發射幾個石頭，發現根本夠不到唐軍，隻能作罷。唐軍的炮火持續打了一天，把吳哥城炸的七零八落，吳哥軍陷入了沉寂，似乎放棄了抵抗。
第二天，唐軍又是繼續炮擊，炮擊了一陣吳哥軍始終沒反應，王之孝就派出一部分唐軍試圖接近城牆，唐軍在前進的過程中，吳哥軍始終沒有動靜。
當唐軍快到城牆時，吳哥軍突然發起反擊，拋石機、和弓箭手一起進攻，有的吳哥軍還拋出手中的標槍刺向唐軍。
城下的唐軍猝不及防，在一陣對戰中有的被吳哥軍的弓箭、標槍刺中，有的被拋石機扔出的火油燒傷，唐軍雖然也擊斃了一些吳哥軍，但是如果繼續對戰形勢不妙，不得不撤回。
王之孝清點一下，竟然傷亡了四五百唐軍，不由的大怒，繼續命令炮兵射擊。這次唐軍被惹毛了，輪流換炮，交替射擊，晝夜不停，炸的吳哥城內牆倒屋塌，死傷無數。
炮擊持續了三天，吳哥軍支撐不住，感覺如果繼續堅守，隻能是全城覆亡，闍耶跋摩率軍從北門突圍而出，一路向北狂奔。
唐軍並不追趕，首先進城接受剩餘人員的投降，而後清點府庫，犒賞部隊，最後留下一個僚越團守衛此處，主力繼續向北進發，搜索吳哥軍餘部。
闍耶跋摩徹底領教了唐軍的厲害，不再敢跟唐軍硬碰，隻是一味的逃亡躲避。唐軍的陸上部隊由張舟率領，向北追擊吳哥軍殘部，水軍則返回金邊城，再溯湄公河北上，從水上向北進發。
鎮南軍水陸兩軍一路向北追擊，始終無法捕捉到吳哥軍殘部的主力，在吳哥國北部玩起了貓捉老鼠的遊戲。就這樣折騰到了四月下旬，雖然唐軍沿途又消滅了一些吳哥軍，但是始終沒有抓到闍耶跋摩，陷入了一場困局。
王之孝認為，繼續這樣死耗，毫無意義，於是留下一個駱甌團在烏汶一帶，與吳哥殘軍周旋，自己率領鎮南軍主力和剩下兩個駱甌團，沿著湄公河繼續向北進發，準備進攻文單國。
文單國又稱南掌，是由原來的真臘國分裂出來，在吳哥國以北，但是國力偏弱，都城就在文單城（今老撾萬象）。唐軍在北上的過程中，文單國的城鎮抵抗並不激烈，基本上唐軍打兩下就投降，唐軍非常順利的達到文單城。
由於文單城就在湄公河北岸，非常有利於唐軍發揮水軍優勢，而且文單國在此也大概隻有兩三萬的兵力，王之孝決定一勞永逸的解決文單城。
王之孝命令陸上部隊將文單城包圍，然後水軍開始持續炮擊文單城，唐軍炮擊一天後，文單城內就開始亂套了，文單國的君臣商議後認為，唐軍勢強，與其被其攻破，不如早日投降，既可以減少文單城的破壞，也可以留點體麵。
第二天唐軍還沒攻城，城上就已經打起了白旗，文單國還派出官員出城，洽談投降事宜。文單官員還想爭取以附屬國的形勢投降唐軍，被王之孝拒絕，但是答應優待文單國的君臣，會給予較好的待遇。