尼布楚城虽然是做城市。但它此前一直是按照重要的军事要塞来修建，因此要塞的防御体系还是很完备的，要想攻克这种坚固的要塞，太平军还是准备在夜间发动攻城战。
各军在出发阵地上吃完晚饭之后，夜幕早早的降临，晚间八时许，炮团百余门各式火炮。准时开始朝着尼布楚城喷吐怒焰。经过多日来的围城，太平军炮兵已经基本将尼布楚城的可见防御工事弄清楚。按照预先设定好的坐标发炮。而城内的俄国军民叫苦连天，他们始终没有找到太平军准确的炮兵阵地位置，因此开炮还击之下，炮弹打不到人家。反而暴露了火炮位置，被太平军火炮进行了密集弹雨的清除。
乱哄哄之间，谢尔盖耶夫大声喝命手下步兵严阵以待，炮击过后，太平军一定是会派步兵进攻的，自己手中原本有一万四千出头的步兵，当中正规的军队只有五千多人，其余都是临时武装起来的流放者、罪犯和亡命之徒。其中一千五百多人守在码头上，今早从码头方向传来的硝烟和喊杀声来看。码头的一千五百多人已经完蛋了。而昨晚和下午出城反击作战中，伤亡了三千多人，城内只剩下不到九千人了。兵力开始捉襟见肘了。
谢尔盖耶夫知道对方火器凶狠，原本想着昨晚夜幕降临之后，出城夜袭太平军，仗着俄国军人凶悍的拼刺技术，利用夜色抵消对方火器的优势，给敌人一个重大打击。可是没想到昨晚的夜袭中。俄国人被敌人用自己最擅长的方式—刺刀冲锋给击退，看来敌人同样的熟悉夜战和刺刀战啊。
炮击之后。谢尔盖耶夫发现尼布楚要塞内上俄军的火力点基本被摧毁殆尽，各类工事也被毁坏得很厉害。长达五十分钟的炮火准备之后，太平军火炮开始向尼布楚城内延伸射击，是一种无差别的炮击，因为太平军知道俄国人的据点、要塞之内是不会有任何的中国平民百姓的，因为他们都被俄国人杀光了。
而就在这时，出发阵地壕沟内的太平军士兵已经准备完毕，嘹亮的冲锋号声之中，数千名太平军步兵高声呐喊着，成散兵线快速向着尼布楚城冲锋而去。
尼布楚城上空弥漫着浓浓的销烟，血与火的洗礼，让这座古老的城市，接受着凤凰涅槃前的痛苦。炮火准备得很充分，残破的砖木结构城垣没有过多的阻拦太平军士兵的脚步，发起攻击半小时之后，巨大的红底金龙旗已经插在了尼布楚城头。
而城内数千俄军士兵挥舞着刺刀和太平军士兵在各个街道上展开了巷战，这一次经过短暂的交火之后，俄军士兵们终于能和敌人肉搏了，但是却没有按照他们的想象，用英勇的刺刀，将敌人击溃。太平军士兵的拼刺技术更加娴熟，他们三人一组，背靠背互相守御，三个太平军士兵竟然能杀退七、八人的俄军士兵，而溃散的俄军士兵们又大多倒在了太平军士兵的枪口之下。
战斗了两个小时，一股敌人朝着东面突围而出，但在城外遭到了预先布置下的口袋阵伏击，三千多名俄军士兵倒在了这里，随后东面的太平军部队趁势冲入城内，加入到了清剿城内残敌的战斗之中。
经过一晚的激战，剩余的千余名俄军士兵被包围在尼布楚城市政厅的广场一带，谢尔盖耶夫发现自己被包围了，手下的士兵们都是绝望但又期盼的看着自己，最后谢尔盖耶夫艰难的做出了投降的决定，就这样天亮的时候，城内最后一千多俄军在市政厅缴械投降了。
肃清了城内的残敌，简单的入城仪式之后，刘铭传等人得到了一个振奋人心的消息，在尼布楚城内的仓库内发现了大量的白银银锭，这让几个太平军头头喜出望外，连忙到了那堆着银锭的仓库去看，只见这处仓库地处尼布楚市政厅后院的地下室内，整间室内都是放满了硕大的银锭，每个银锭足有五十两，这里有上万个银锭，让几人看得目瞪口呆。刘铭传连忙命派遣重兵看守，同时将这个消息与攻克尼布楚城的消息一同送往谭绍光和北京两处。