太平军撤离城陵矶后，湘军水陆并进，直指武汉：水师于9月4日占嘉鱼,15日进抵武昌西南六十余里的金口；陆师由塔齐布等率领,9月5日从岳州出发，因沿途受到太平军阻击，迟至10月6日才抵达武昌南六十里的纸坊(今武昌县)。

曾国藩于10月2日抵金口，不久，与塔齐布、罗泽南等共同商定了进攻武汉的计划：先以水师控制江面，隔断武昌与汉阳之间的联系；以陆师塔齐布部四千人由纸坊进攻洪山，罗泽南部三千人由金口进攻武昌花园，副都统魁玉、已革总兵杨昌泗率荆州兵四千三百人进攻汉阳。

太平军于6月26日克武昌后，由韦以德、石凤魁、黄再兴等率军约二万人防守。三个多月来，在外围修筑了大量防御工事。于花园一带立大营三座，掘深沟宽二丈，长约三里，沟的内侧立木城，实以沙土，中开炮眼，沟外侧立木桩，交互连钉，桩外密布竹签，环以荆棘。

木城之內，又有砖城內壕，安炮百余门。汉阳的防御工事也相当坚固10月12日，清军开始总攻。当日，曾国藩督水陆两军自金口沿长江三路齐下：李孟群等率水师为中路，其前队闯过盐关，直抵鹦鹉洲，出现于太平军水师之后；当盐关太平军战船回援鹦鹉洲时，湘军水师后队又至，对太平军水师实行前后夹击，烧毁其战船三百余只。

罗泽南部合荆州派来的李光荣部川勇共四千人为右路，进攻花园。他们分路扑向太平军营垒，纵火焚烧，太平军不支败退。魁玉等所率的荆州清军为左路，进攻汉阳虾蟆矶，冲进土城，并破鹦鹉洲太平军营垒。

同日，塔齐布部湘军也进扼武昌城东的洪山。13日，湘军水师直下武昌塘角等地，又焚太平军战船三百余只，前锋进至青山。罗泽南等部破武昌鲇鱼套附近太平军营垒六座。汉阳方面，魁玉杨昌泗部毁太平军晴川阁木栅及大别山(即龟山)木垒。至此，武汉江面无太平军船只，城外无太平军营垒，武汉三镇暴露在湘军的直接威胁之下。

太平军守将石凤魁、黄再兴等(当时韦志俊、石祥祯、韦以德等已东返天京)匆忙决定放弃武汉，于14日晨开始撤离。撤退过程中，武昌太平军在城东的洪山遭湘军塔齐布部截击，损失千余人；泊于汉水中的太平军水师战船干余只，因来不及下驶，被湘军焚烧殆尽武汉地处天京上游，南控湘赣，北扼荆襄，它的失守，对西征战局的影响甚大。

武汉失守的主要原因有三：首先，当太平军在城陵矶阻击湘军时，武汉方面一再派岀援军，损失精锐不少，使防守武昌、汉阳的兵力逐渐減少。其次，自曾天养阵亡后，西征战场前线缺乏适当的统帅人物，负责驻守武昌的国宗石凤魁，“粗通文墨，不谙军务”，协助防守的地官副丞相黄再兴，系办文案出身，同样不长于军事，而石达开则一直远离前线，鞭长莫及，无法进行有效的指挥。

再次，西征太平军自湖南败退后，士气大挫，一时失去了与湘军作战的信心。在湘军水师前锋刚刚占领金口时，国宗韦以德即托故先回天京；待湘军水师进至武汉江面并战败太平军水师时，武昌太平军仓皇撤离，驻防汉阳、汉口的太平军也随之弃城而走。此外，曾国藩注意到了沿江作战的特点，先以优势的水师从中路突破，取得江面主动权，将两岸太平军分隔开来，以便陆路各个击破，这也是设防坚固的武汉之所以迅速易手的原因之一。