大馬士革的房子多為平頂，方便站人，穆斯塔法決定將大部分兵力分散部署在沿街的重要建築物上，利用炸彈、突火槍、弓箭等武器，阻擊入城的唐軍。
唐軍將城市包圍以後，就開始在城南炮轟城牆，轟了一天，終於轟開一個大的缺口，決定第二天發起進攻。
次日一早，第五路軍先鋒部隊就開始從缺口處攻入城內，唐軍入城比較順利，但是入城以後，就開始遇到街道兩側建築物上的大食軍的猛烈阻擊。這些大食軍或在窗戶後麵，或在房頂上，要麼就是扔炸彈，要麼就是發射突火槍，或者是射箭，使進城的唐軍傷亡很大，進展遲緩。
副將鄒元標帶領第二波部隊入城後，發現大馬士革的新戰法很難對付，街道上的唐軍非常容易成為兩側建築物內大食軍的攻擊對象，而唐軍的火力優勢則難以有效發揮。
鄒元標考慮了一陣，覺得唐軍也必須跟著調整戰法，不能急於向裡進攻，而是采取交替掩護的方式逐個區域清理，一片一片清理過去，這樣才能穩步推進。
唐軍開始分組行動，每個組十人左右，隻要發現哪個房子裡內有大食軍，立即停止前進，一半人依托附近的工事、建築物，與房子裡的大食軍對射，另外一半人則摸到門前，破門而入，沿著樓梯上去消滅大食軍。
這樣一來，入城的唐軍穩步推進，清剿沿途遇到的大食軍，在局部上形成優勢，逐個將建築物內的大食軍消滅。使用這種戰法，唐軍也會有傷亡，而且進展緩慢，但是確實能夠有效擊敗大食軍。
後麵第三波、第四波入城的唐軍，也全部采用這種戰法，逐個房子、逐條街道與大食軍展開爭奪。
城內的戰鬥進入焦灼化，吳元濟和穆斯塔法都非常著急，正在吳元濟關心城內的進展時，城外的大食騎兵也展開了反擊。
一萬多多大食騎兵對著炮陣地和指揮部展開猛烈的衝擊，吳元濟留了兩千步兵保護炮陣地，所以毫不緊張，當即命令炮兵對著衝來的騎兵射擊。
大食騎兵熬過炮擊後，又迎來唐軍火槍的射擊，不管大食騎兵如何衝擊，根本無法衝入唐軍的陣地，反而自身損失慘重，被迫撤退。
城外的大食騎兵退卻以後，兩軍的主戰場聚焦在城內，唐軍逐個街區清剿的方式雖然有效，但是進展相對緩慢，大馬士革是一個較大的城市，唐軍打了一天也隻占領了近三分之一的區域。
入夜，城內已經無法再戰，唐軍在搶占的區域內先轉入防禦，吃些乾糧，就地休息，準備第二天再戰。
但是，穆斯塔法不甘心失敗，夜間派出部隊發動夜襲，企圖奪回實地，與轉入防守的唐軍展開了激烈的交戰。
由於夜間視界不良，兩軍憑著感覺相互射擊，唐軍的武器優勢無法發揮，但是唐軍畢竟是防守的一方，可以依托建築物打擊來襲的大食軍。
兩軍交戰了一陣，唐軍發現了大食軍的弱點，因為大食軍的火器需要火把點燃，所以在夜間很顯眼。唐軍的燧發槍無需點燃，隻有在開火時才會有火光。
唐軍指揮員讓唐軍士兵用燧發槍專挑拿火把的大食軍射擊，那些拿火把的大食士兵紛紛被擊斃，剩下的大食軍無法再用火器，隻能用冷兵器和唐軍對戰。
大食軍乾脆直接衝鋒過來，企圖用大刀長矛跟唐軍硬拚，唐軍士兵不玩冷兵器硬拚那一套，拿著燧發槍依托建築物，對能夠看到、感覺到的大食軍進行射擊。
在近戰中，很多大食軍在衝擊的路上就被唐軍擊斃，即使能夠僥幸衝入唐軍陣地內，也會被唐軍群毆。大食軍遭受了重大損失後，被迫撤回去，唐軍也不追趕，仍然就地轉入防禦。
在城內激戰的同時，城外的大食軍也發動了夜襲，又有一股的騎兵企圖偷襲唐軍的炮陣地，唐軍非常警覺，立即對衝來的大食軍射擊。
雖然夜間視界不良，但是唐軍可以憑著聲響，往大食軍的方向射擊，有的子彈射空，但也有的子彈射中馬匹和人員。在唐軍的密集射擊下，大食騎兵根本無法衝過去，隻能留下一堆屍體後黯然撤退。
晝夜連續的作戰，兩軍都非常疲憊，但是誰也不願認輸，第二天天亮以後，唐軍簡單啃了一些乾糧後，又開始沿著街道對城內的建築進行搜索攻擊。
城內的大食軍依然強悍，依托建築物用突火槍、弓弩對唐軍射擊，看到唐軍接近後，還扔出炸彈。唐軍的血性也被激發出來，不顧傷亡，對大食軍占據的建築物進行圍攻。
唐軍已經配發了一些單兵用的小型炸彈，唐軍攻入建築物以後，就用火折子將小型炸彈點燃，扔進有大食軍的房間裡，產生了很好的殺傷效果。
吳元濟感覺這樣打太慢，想起城外已經比較安全，就將炮兵中的一些輕便小炮調給入城部隊，讓他們加大攻勢。
城內唐軍將小炮重點用在大食軍比較多的高大建築物內，隔著60丈以外架炮，對著那些建築物猛轟，將那些建築物炸塌為止，裡麵的大食軍也被壓死、砸死。
自從小炮入城以後，唐軍的攻擊節奏明顯加快，大食軍較多的建築物就用小炮攻擊，普通的建築物就由唐軍交替掩護攻入，提高了進攻的效率。
經過唐軍第二天的猛烈打擊，城內的大食軍已經黔驢技窮，徹底陷入了頹勢，全城大部分被唐軍占領，隻有總督府和一小片區域掌握在大食軍的手裡。
第三天，唐軍拿下其他區域後，開始圍攻總督府。剛開始總督府內的大食軍還想負隅頑抗，但是唐軍用小炮轟開總督府的牆體後，穆斯塔法徹底絕望，當即命令大食軍打白旗投降，他怕再晚一會投降，自己就會被攻入總督府的唐軍擊斃。
大食軍投降之後，吳元濟總算出了一口惡氣，將俘虜的大食軍全部關押起來，並派人清點戰損情況。