作为江阴抗清义军总指挥，阎应元不负众望地显露出了他卓越的领导才能和军事谋略。阎应元挑选年轻力壮的士民和原有的民军，重新进行整编，命武举人王公略守东门，把总汪某守南门，陈明遇守西门，他自己守北门。此外，他还和陈明遇总督四门，昼夜巡守。城外的乡兵和城内的民军加在一起，数量有二十万之多，阎应元令分保防守。城门用大木塞阻断，每人守一城垛，如战，则两人守卫，定期轮换休息。每十人为一小组，给小旗一面；百人为一大组，给大旗一面、红夷炮一座。接近城楼的街道上，分设供应守城军队饭食饮水的后勤点。
由于事发仓促，江阴城中箭矢存量较少，一时间要大批量制造，有临渴掘井之窘。阎应元于是命民军束草为人，外披兵服，每个草人手里执一竹竿，上面挑一盏昏黄的灯笼。制成之后，在月黑风高之夜，下令把草人一个个直立在城垛上，士兵们则伏在城垛下大声鼓噪，做出要乘夜出城袭营的架式，围城清军急忙放箭，这些箭都成了城中民军的战利品。
七月十一日，清军的总攻开始了，北门首当其冲。一开始，清军并没有把江阴这座小城放在眼里，这些从关外一路如狂风扫落叶般地席卷了大半个中国的八旗兵，连久经沙场的李自成和明政府的正规军都远不是他们的对手，何况江阴城中那些几乎没有接受过任何军事训练的平民？但清军很快为他们的轻敌付出了惨痛代价。次日，清军继续攻打北门，“死伤无算”。
清军见硬攻不行，便派人劝降。阎应元决定施行诈降计，派几名年岁很高的白发老人手执降旗，从城上缒出，到清军将领薛王营中通报，表示城中愿献银买命，以免杀戮。薛王大喜过望，吩咐大开营门，把木箱抬进帐内。当他和手下将官打开木箱查看时，突然间火发炮裂，薛王及手下两名大将，另加军士两千余人都一命归天。
清军将领刘良佐与阎应元早年有旧，清军企图让刘良佐说服阎应元投降。对此，阎应元回道：“江邑士民，咸谓三百年食毛践土，深戴国恩，不忍望风降附。应元乃大明典史，义不得事二君。将军位为侯伯，身拥重兵，进不能恢复中原，退不能保障江左，何面目见我江阴忠义士民乎？”一席话说得刘良佐惭愧无语，默然退却。次日，刘良佐再次劝降，阎应元只说了一句：“有降将军，无降典史。”话音刚落，江阴城内火箭齐发，刘良佐狼狈逃走。
可以肯定，自从决心抗清那一天起，江阴城士民就知道他们最后的结局是玉碎。为了坚持一贯传统，他们只能选择一场悲壮的死。
七月二十一日，孤城陷落的末日终于不可抵挡地到来了。
前一天，清军从南京运来二十四门巨炮。晚上，江阴一带风雨交加，电闪雷鸣，清军冒雨安置好巨炮，对着江阴城连轰了一个晚上。困乏之极的江阴民军再也没有力量抢修被轰塌多处的城垣了。次日清晨，清军顺着这些缺口蜂拥进城。
城破的噩耗报告给阎应元时，他正在东城楼上指挥御敌。阎应元明白最后的时刻到了，令左右取来笔墨，在东城楼门上匆匆写道：“八十日带发效忠，表太祖十七朝人物；十万人同心死义，留大明三百里江山。”写罢，掷笔于地，率众杀向西门。但由于众寡悬殊，他们很快便陷入清军的包围圈中。混战中，阎应元背中三箭，对手下人说：“为我谢百姓，吾报国事毕矣！”说罢，正要挥剑自刎，这个时候阎应元边上的家人阎庆一把抓住阎应元的手，叫道：“你看长江里面，好大的船啊！”