當天晚上，鄭成功依據形勢的變化，重新布置軍隊，以觀音山至觀音門一帶為集結地點，準備同清軍決戰。派左先鋒鎮楊祖統帥援剿右鎮姚國泰，後勁鎮楊正，前衝鎮藍衍屯紮大山上，作犄角應援；中提督甘輝，五軍張英伏於山內；左武衛林勝，右虎衛陳魁列陣於山下迎敵；他自己督右虎衛陳鵬，右沖鎮萬祿在觀音門往來策應；後提督萬禮，宣毅左鎮萬義等堵御橋頭大路；右提督馬信，宣毅後鎮吳豪，正兵鎮韓英由水路抄躡其後；左沖鎮黃安專門負責水師，防止清軍由水上來犯。

另一方面，南京城中的清方大員梁化鳳，管效忠出戰得勝後，決定在第二天全力出擊。他們部署由總兵梁化鳳等率領主力由陸路出戰；提督管效忠等領軍由水路配合；總督郎廷佐等留守南京城。二十四日晨，清軍從觀音山後分路直攻楊祖部軍，鄭軍四鎮雖然頑強抵抗，終因兵力不敵，幾乎全線崩潰，前衝鎮藍衍陣亡，楊祖，楊正，姚國泰領殘兵逃竄，山頭遂被清軍占領。鄭成功派右虎衛陳鵬，右沖鎮萬祿登山救援，但為時已晚。清軍乘勝由山上以壓頂之勢向明軍猛撲，一舉包圍了駐守山谷內的中提督甘輝，五軍張英部，二將領兵死戰不得脫身，甘輝被俘，張英陣亡。列營於山下的林勝，陳魁兩鎮也全軍覆沒。後提督萬禮等在大橋頭遭到清兵首尾夾攻，兵敗，萬禮被俘，萬義泅水逃出。鄭成功見陸師已經全線崩潰，命令參軍潘庚鍾站在表示統帥駐處的黃蓋下面，自己率領親隨衛士趕往江邊調水師。但是，敗局已定，有限的水師既要保護隨軍眷屬，又要為撤退留下後路，沒有力量扭轉戰局了。清軍乘戰勝之威進攻鄭成功的指揮所，潘庚鍾指揮眾人力戰直至陣亡。鄭軍雖敗，其將士的頑強奮戰精神實為令人讚嘆。據記載，清軍指揮戰役者之一的梁化鳳事後感嘆道：“當勁敵多矣，未有如鄭家之難敗者。”至此，攻取南京的戰役完全失敗，鄭成功只有收集殘兵，另圖他策了。

二十五日，鄭成功率領敗軍乘船到鎮江，查明將領和兵員損失情況，把陣亡和被俘將領部下的士卒撥歸其他將領統轄。二十八日，即主動放棄鎮江，瓜州等城市，全軍退出長江口。

八月初四日，鄭成功軍退到吳淞口。鄭成功有意攻占崇明縣城以控制長江出海口。初十日鄭軍登陸崇明，次日上午開始大舉攻城，鄭成功親自督戰。清守軍據城頑強抵抗。鄭成功部將韓英和王起俸奮勇攻城，被清軍火銃擊傷，幾天后傷重而死。鄭成功還想讓其他將領帶兵猛攻，部將周全斌建議說，攻城受損嚴重，士卒無心戀戰，而且攻下此孤城絕島也沒有太大益處，不如回師南下休整。鄭成功採納了他的建議，傳令班師。

在鄭，清南京戰役中被清軍俘虜的甘輝，萬禮，余新等人被押解到清軍總督郎廷佐等滿漢官員面前，萬禮，余新下跪，甘輝腳踢他們怒罵道：“痴漢尚欲求生乎！”大罵不屈，被殺。

考察鄭成功南京之役的失利，原因有驕傲輕敵為清廷守將欺騙等等，但更大的失策可以追溯到他的私心自用。南京戰役顯示出鄭軍具有相當強大的兵力，倘若之前李定國，孫可望軍威強盛之時，鄭成功真心擁戴永曆朝廷，親率主力配合李定國會師夾攻，江南必下無疑。但他當時始終按兵不動，直到清軍占領貴州，永曆朝廷已經很難招架的時候，他才大舉進攻南京。換句話說，鄭成功的復明是以他自己為首的“明”，在西南永曆朝廷明軍兵勢尚盛時候，他絕不肯出兵配合作戰；他的戰略是西線明軍敗退已遠，又還牽制着清軍主力時大舉出兵收取江南。但這種各自為戰的私下小算盤的戰略，相比較於清廷的權威集中，用兵總能夠着眼於全局，明顯處於劣勢。總之，鄭成功的設想和舉措同李定國等人很不一致，以往許多歷史學家常常把鄭成功同李定國，張煌言等描繪成志同道合，但實際情形顯示他們是志不同，道不合的。南明之所以未能中興，關鍵就在於許多實力集團的首腦都視本集團的利害高於抗清大業。

鄭成功的長江戰役雖然以失敗告終，仍然不失為明清之際歷史上光輝的一頁。它是清初反對滿洲貴族推行暴虐的民族征服政策的最後一次大規模戰役；它曾經使得清廷統治者聞風喪膽，坐臥不安，各地仁人志士為之興高采烈，翹首以待。清廷於險勝之後，痛恨江南地方官員無能，嚴厲處置了多名高官。並在兩年之後，大規模實行沿海遷界（簡稱遷海），同鄭成功，張煌言指揮的長江戰役有密切關係。（待續）