沛公便亲率樊哙、周勃主攻东门，曹参攻北门，灌婴和郦商攻南门。命令下达后，三路楚军就像三团乌云一般向城下席卷而去了。那些腾空竖起的云梯如同登天的梯子，架在了洛阳城的高墙之上，像是长在山崖上的结实青藤。各路将士一时间发出了惊天动地的呐喊声，他们高呼：“冲啊！为了早日打进关中，消灭残暴的秦国！前进！冲上去把秦国的官吏统统地剁成肉酱！杀！……”勇往直前的楚军将士，冲到了城墙下面就开始攀爬云梯，远远望去如同蚂蚁一般攀援在青藤之上。
秦军奋起抵抗，他们不停的推翻云梯，向下投掷石块、檑木和飞刀。下面的楚军向上射箭，弓弦上射出的箭就像雨点一般地密集，守城的秦军倒在了城下。愤怒的楚军如同潮水一般一拨连一拨的向城下涌来，大地在他们的脚下呻吟，尘土在身后飞扬，死神在每一处流血的战场上降临。三路楚军在各自将领的鼓舞下，勇敢的战斗着，密如飞蝗的流箭在天空中飞过。秦军从城上往下射，楚军从城下往上射，抬头望去，整个天空就像是下了一阵流星雨。双方受伤的士兵随时都有倒下的。冰雹似的石块和檑木一阵猛似一阵，尖石头从城上飞下来把楚军的头盔和铠甲敲破，砸伤了许多攻城的将士。有的石头落在战士们的头上，把他们击昏或者打倒在地，这样楚军的队伍逐渐变得混乱起来了。各路督战的将领声嘶力竭般地呼叫：“大家要顶住，不可混乱！”此时前沿的楚军数组遭受到了秦军愈来愈猛烈的攻击，他们不得不向后慢慢退却。更为可怕的是，前面的人把后面的人挤翻，他们踏着倒下去的人的身体向后退却，将领们也没有办法制止这样的局面。
在洛阳东门，战斗最为激烈。当沛公看到楚军逐渐抵挡不住的时候，心里非常焦急，忙问左右该怎么办。郦食其在情急之下，就让沛公命令樊哙和周勃二人率领军士把盾牌拼在一起，举在头上，组成了一个伞盖似的方阵，用它来抵挡从城头上扔下来的各种攻击物。在这种伞盖的掩护下，士兵们组成了一个非常庞大的长方形的阵势，将士们冒着镖林矢雨向城门慢慢逼近。躲在盾牌下的战士只听见无数的石块和箭镞撞落在盾牌上，发出了震耳欲聋的声响。正是这种阵势发挥了强大的作用，保护了下面的军士，使大家免受伤害。沛公看到他们一步步向城门下逼近，悬着的心才放了下来。
等到盾牌组成的铁阵开到城门跟前的时候，前方突然亮出了一根硕大无朋的粗大圆木，原来这是一个临时做成的简易撞车。这根木头是用粗绳索绑在支架上，支架的下方安装了轮轴和木轮。为了不让敌人发现它，楚军用盾牌遮得严严实实。当撞车开到城门下时，就发挥了巨大的威力。撞车对着深红色的结实大门，如同发怒的公牛看见了挑逗它的红色布片抵角猛撞。高大厚实的门板在圆木的撞击下，发出了‘轰隆、轰隆’地巨响，门缝和门框上，不知堆积了多少年的陈土也被震落下来，直呛得跟前的士兵咳个不停。
眼看郦食其的办法就要成功，谁料城头上急得满头大汗的郡守赵贲却大声嚷嚷道：“要是城门被捣开一个大洞，洛阳就完了！”说完立即命令数十名大力士抬来十几块大石头，准备用这些石头打乱楚军的盾牌阵。力士们在同伴的掩护下，抱起大石头来到城堞前沿，就将石头抛掷下来。因为石头太猛，只朝着楚军盾牌的顶盖上砸将下来，楚军士兵的盾牌阵顿时被撞开了一个大缺口。秦军射手紧接着向那个缺口猛烈地射出了一阵利箭，撑盾牌的士兵倒下去了，那个大缺口就如同一个恶性肿瘤，慢慢向外延伸扩散，以致于越来越大，盾牌阵终于垮了，撞击城门的圆木也停止了撞击。赵贲和督战的秦国将领看见此情景，愈加振奋，就在城头上大声呼叫，激励士气，亲自领头将石块飞镖继续抛掷，楚军死伤惨重，终于保住了城门。
进攻北门的楚军在大将曹参的指挥下，向守城的秦军发起了猛烈的攻势，双方士兵从一开始就激烈地拼杀。战斗持续了好一会儿，楚军的弓箭手就把城上的秦军射死了一大片。此时曹参的步兵队长徐伊看到城墙上有一处空缺，就立即带头顺着云梯爬了上去。徐伊在前面爬，舍生忘死的为身后的战友开辟攀登的道路。可是万万没有想到，秦军看见了他，他们大约有几十个人，一起来到了城堞前死死地封锁了云梯和城堞连接的地方。当徐伊的头刚刚露出城墙时，就被抛出的石块击中了头颅，仰面掉下去摔死了。随后云梯也被石头砸断，下面跟着攀爬的楚军也随即重重地摔下，伤的伤，残的残。
曹参看到这一情景，心中如同刀割。过了一会儿，他发现一员秦军将领就像一头猛兽，抱起石头往下投掷。曹参异常愤怒，亲自张弓搭箭，瞄准了那员秦将，一箭射去，秦将立刻翻身倒在了城下。谁料他的身后又跃出一员将领继续指挥战斗。
在南门，灌婴和郦商二人指挥攻城，也因为秦军过于猛烈，楚军根本攻不上去，许多士兵都倒在了墙角下牺牲了。二人看到攻城的情景，心里也很着急，就一起商议办法。郦商坚持让灌婴留下来指挥，他要亲自去攻城。灌婴见没有别的办法，只好同意。郦商于是发起了神威，亲冒矢石，向城下攻去。他来到城壕边，从地上扶起一把云梯，放在宽阔的护城壕上，过了城壕，然后又取过云梯，竖起来放在城墙上爬了上去。一边爬一边传令让下面的箭手做掩护。可是秦军从上面不停地抛下重击物，向郦商举着的盾牌猛烈地撞击。郦商用盾牌顶开了撞击物，然后艰难地爬行。秦军看见无法阻止郦商攀爬，就往云梯上浇洒鱼油，然后用火点燃。云梯顷刻间起了火，郦商无法登攀，只好退了下来。正因为秦军将士的拼死反抗，郡守又在第一线指挥，郡尉亲自参加了战斗，义军最终没有能攻下城池。如此血腥的战斗整整持续了几个时辰，等到天黑的时候，楚军终于筋疲力尽了。
沛公看到士兵伤亡惨重，担心再继续攻下去，会对整个战局不利，就问郦食其该怎么办。郦食其道：“我们的目的是要打到函谷关下，不攻克洛阳就无法前进，看来还得想别的办法啊。”沛公问应该想什么办法。郦食其此时却也说不出一个好办法来。沛公只好下令停止攻城。
夜深了，白天的喧嚣早已听不见了。楚军的军营就驻扎在洛阳城东的一片开阔之地上。这天晚上，军士们吃完饭后都在休息。沛公的大帐却是灯火通明，所有的将士都聚在他的帐中商议办法。大家你一言我一语的发表着各自的建议，最后还是萧何提出了一个可行的办法。他说一定要联络子房先生，和韩军一道进攻洛阳，这样才有希望拿下城池。会议最后一致通过了这项决定。沛公便再次派出特使，星夜赶往颍川联络子房先生。
赵贲守住城池见楚军不能过去，顿时信心大增。他又立即派人向朝廷报告了此地的情况。朝廷又从函谷关抽调了一批精壮的士兵增援洛阳，并且向远在河北的章邯传达命令，要他从东面尽快派出一支精兵向西围剿刘邦的军队，诏令一定要将沛公歼灭在洛阳城下。
特使连夜出发，赶往河北后，就把三川郡的情况向章邯仔细地讲明了。章邯得知沛公已经打到了洛阳，十分震惊，就立即派副将董青和东郡守鲁范率领一支军队即刻南下，赶到阳武，把军队交给杨熊率领，在洛阳会合赵贲围剿刘邦。董青和鲁范不敢怠慢，当天就离开了河北向三川进发了。这时河内郡的郡守窦先也率军前来增援。
有一天郡尉韩蒙到城外巡逻时抓到了沛公派往颖川的那名特使，押来见郡守，还从身上搜出了沛公写给张良的信。郡守这时才知道沛公的联韩计划，就对部众道：“洛阳的北面是大河，东南面有一座山叫轘辕山，山上有一个关口名叫轘辕关，那是三川通往颍川的咽喉，刘邦联韩一定要通过那个关口，因此只要我们守住轘辕关，他们的联韩计划就会破产，更何况章邯已经派军增援，河内和东郡也出动了军马，他们都在路上，十多天后就会到达洛阳。朝廷又从函谷关抽调了一万名甲士。各路兵马到达后，前后夹击，刘邦将死无葬身之地！”将士们听了这番话，都很受鼓舞。郭凤自告奋勇道：“大人，我愿意领兵去把守轘辕关，绝不能让颖川的叛军和刘邦会合！”郡守非常高兴，就立即派郭凤率领数千精兵增援轘辕关。这样以来，楚军就处在秦军的东西夹击之下，处境十分危险。