吳元濟又和兩個副將商議一番，認為兩個峽穀中，靠東的峽穀更加險峻，靠南的峽穀相對好打一些，就將陸上進攻的主要方向定在南邊的峽穀。同時，派兵在外港的南岸登陸，沿著海岸線向城內進攻。最後，兩路軍隊在城內彙合，一起攻入城內。
計議定好以後，吳元濟將部隊一分為二，自己和鬱景斌帶領一部分兵力從南側峽穀進攻，鄒元標帶領一部分兵力從外港登陸進攻。
第四路軍做好準備後，首先在峽穀方向動手，吳元濟命令手下的兩個羌戎團和一個新羅團，輪流向峽穀進攻。
每個團接近峽穀以後，就對著峽穀上的守軍放槍，裝著要硬闖峽穀，峽穀上的守軍趕緊放箭，扔滾木礌石。但是這些襄兵並不進入峽穀，隻是隔著距離做個樣子，箭矢也好，滾木礌石也好根本傷不了他們。
對戰了兩天，拜軍也看出了唐軍的詭計，來個不見兔子不撒鷹，唐軍隻要不進峽穀，就不再進行實質性的反擊。
吳元濟這兩天可沒閒著，從鎮東軍中抽出兩支部隊，沿著山脊線向峽穀兩側的山上進發。山上的拜軍發現有唐軍摸過來後，立即居高臨下進行反擊，打退了唐軍的第一波進攻。
吳元濟大怒，開始命令炮兵開始轟擊，山上的拜軍可倒了黴了，被炮彈炸的四處躲藏，有些滾木礌石也被轟下來了。
唐軍停止炮擊後，又在山上、山下同時發起進攻，沒想到拜軍挺頑強，再次擊退了兩路唐軍的進攻，吳元濟讓兩路唐軍撤下，繼續炮轟。
兩軍在南峽穀的激戰，成功吸引了拜軍的注意力，誤以為南峽穀就是唐軍的主攻方向，不斷向那裡增兵。
南峽穀方向打了兩天後，鄒元標突然率領部隊從外港南側登陸，沿著海岸線向伊茲密爾進攻。拜軍在入城的必經之處也設置了工事，駐守了一些兵力，兩軍在這裡又對掐起來。
鄒元標深知，自己這邊的進攻難度比峽穀那邊小一些，是真正的主攻方向，必須要打開缺口。鄒元標調來大炮，對著拜軍的工事猛烈炮擊。
經過唐軍連續的炮擊，南港附近的工事大部分被摧毀，在拜軍防線撕開了一個巨大的口子。鄒元標指揮鎮東軍和三個新羅團，先後衝進拜軍的陣地，與這裡的守軍展開了激烈的廝殺。
由於拜軍主力調到了南峽穀，在南港方向的部隊不是很多，鄒元標率軍激戰了兩個時辰後，終於消滅了這裡的拜軍，開始向伊茲密爾城南發起進攻。
鄒元標的部隊抵達城南後，相當於斷了南峽穀拜軍的後路，在唐軍的前後夾擊之下，南峽穀的拜軍迅速崩潰，最後全部投降。
天險一失，拜軍就更加無法抵擋唐軍的進攻，兩路唐軍在城南發動猛攻，分頭突入城內，與城內的拜軍展開激烈的巷戰。
城內的拜軍雖然英勇抵抗，但是這些唐軍久經戰陣，如狼似虎，又有武器的優勢，激戰了兩三個時辰後，拜軍損失慘重，敗相明顯，守將被迫下令投降。
吳元濟惱怒這裡的拜軍激烈抵抗，讓唐軍陣亡了好幾百人，下令將十幾名拜軍將領槍斃，以泄心頭之憤。
第四路軍剛打下來伊茲密爾，劉梧就派人送信過來，要求第四路軍支援第三路軍進攻君士坦丁堡。
吳元濟記得，當初就是劉梧彈劾了自己，導致自己被免了穆庭路代理總督，所以就不願傾力幫助第三路軍，最後讓佐軍司重戶帶領三千水軍去協助第三路軍，自己則準備帶領第四路軍主力進攻希臘一帶。
按照原來的方案，應該是第三、第四兩路軍先集中兵力打下君士坦丁堡，而後再分兵，第三路軍沿多瑙河進攻，第四路軍進攻希臘及其以西地域。
吳元濟這樣就等於改變了原先的計劃，派出一支較少的水師，協助第三路軍，給第一次君士坦丁堡之戰埋下了隱患。
拜占庭雖然國勢不如以前，但也是百足之蟲死而不僵，還是有一些底牌的。隨著各地的敗軍先後聚集到君士坦丁堡，加上原來的守軍，君士坦丁堡足有近六萬人，其中還包括一支較強的水軍。
這支水軍艦船不多，但是有個秘密武器，就是所謂的“希臘火”。
原來，拜占庭人更早就掌握了石油的蒸餾技術，從石油中蒸餾出輕油，然後又發明了一種壓縮設備，可以將這些輕油噴發出來，在噴射口放上火源，就相當於噴出一條火龍，對船隻可以產生巨大的毀傷。
當初，黑衣大食的海軍好幾次進攻拜占庭，有一次甚至打到君士坦丁堡，拜軍就是依靠“希臘火”燒毀了大量的大食船隻，讓大食海軍铩羽而歸。
吳元濟和司重戶對這個信息一無所知，還以為憑借唐軍的火力優勢，摧毀拜占庭海軍如探囊取物。
司重戶率領船隊到達博斯普魯斯海峽東岸以後，與劉梧的第三路軍彙合，劉梧覺得派來的水軍有點少，但是覺得隻要能把第三路軍運到對岸，自己也能打下君士坦丁堡，所以就沒有過於計較。
兩軍彙合以後，司重戶就利用自己的船隊運送第三路軍到博斯普魯斯海峽西岸。由於船隊來的晚，當天隻運送了五千唐軍到對岸，這五千唐軍迅速搶占一個叫加拉太的小城，算是有了一個立足的地方。
當晚，司重戶的船隊就在博斯普魯斯海峽西岸的一個港口中停泊，準備第二天接著幫第三路軍運兵。
拜占庭的部隊在城頭就能看到唐軍新來了一支船隊，開始將部隊運送到博斯普魯斯海峽西岸，一旦所有唐軍運過來，君士坦丁堡將遭受滅頂之災。
米海爾二世決定立即采取行動，消滅這支船隊，阻止他們繼續運送唐軍。入夜，一支專門用於發射“希臘火”的小型船隊悄然出發，向唐軍船隊所在的港口駛去。