双方作战部署
1854年7月，陈开、李文茂等率众起义后，立即相互配合，开始了围攻广州的作战。其部署情况是：陈开部以佛山镇为据点，由南向北进攻；李文茂部以佛岭市为主要据点，以萧冈、龙潭观等为辅翼，直逼北门；陈显良部以燕塘为主要据点，以三宝墟为后应，进攻东门；林洸隆部驻省河南岸，牵制清军；关巨、何博奋的水军截击清军内河水师，断绝其水上交通。各路起义军的总兵力号称二三十万，实际约有十余万人，没有统一和正规的编制。部队除装备部分鸟枪、火炮外，大部分为刀矛等冷兵器。
两广总督叶名琛、广东巡抚柏贵等因城内兵力空虚，立即关闭城门，并采取如下应急措施：将派至与湖南、江西、广西交界地区的绿营兵四千余名调回省城，与八旗兵一千三百余名共同防守炮台和水陆要隘；令各地豪绅地主从速组建团练，并以“优给口粮”、“加倍给予工价”等办法从省城、香山、新安、东莞、新会、潮州等地先后雇募乡勇二万七千余名，增添内河战船数百只，选雇水勇、炮勇一万六千亲人，配合八旗、绿营作战（同年秋，守城的兵勇、团练增至五万多人）；奏请清政府速从福建、湖南等省调兵来粤会剿；组成以大买办伍崇曜为头子的“筹饷局”，后又无耻地乞求港英当局出兵救援。随着兵力的增加，叶名琛、柏贵与广州将军穆特恩、右翼副都统托恩东额会商，作了具体的防御部署：参将卫佐邦率所部绿营分驻东路和防守保厘炮台；千总黄大荣、熊应荣率绿营及部分团练驻守小北门外各要隘；游击曾廷相、参将济山率绿营及部分团练驻守城北各要地；游击陈定邦率部分绿营、炮勇分守耆定、拱极、保极等炮台；协领来存、王镇雄及佐领格绷额等率八旗守卫北门外永康炮台；游击陈国辉、水师把总王显等率绿营反团练一部驻守城西的西山寺、泥城等处；协领托云全、太承恩、国荫等率八旗及部分团练分守老城；副将怀塔布率广州协绿营防守新城。叶名琛等每日登越秀山五层楼（镇海楼）亲自指挥。上述部署，以城北为重点，其次为城东和城西，同时加强炮台的守卫。
清军防御阶段
1854年7月18日叶名琛等为了先发制人，派出副将崔大同、游击洪大顺率绿营兵三千余人，欲进攻北路起义军的据点江村。李文茂等闻讯，决定依托佛岭市周围的有利地形，伏击敌人。清军进至佛岭市前时，忽遇滂沱大雨，火药、火绳尽被淋湿，只得在山坡扎营。埋伏在周围的起义军突然冲上山坡，与清军展开白刃格斗，杀死崔大同、洪大顺等。清军大量被歼，余皆溃散。起义军缴获大批军械物资，取得了初战的胜利。
起义军分三路进攻广州东、西、北各门，被清军击退。叶名琛等派出兵勇约五千人再次对北路起义军的据点牛栏冈发起进攻。李文茂一面组织起义军进行正面阻击，一面派千余人绕至清军背后，袭击敌人。经过激战，起义军再次将清军击退，一直追到离广州城仅十里的三元里，又一次取得了胜利。
此后，起义军乘胜转入进攻，兵锋直逼广州城下。叶名琛等不得不采取“只守为战，严密设防”的方针，依托城垣和炮台进行防御作战。
双方相持阶段
从1854年8月初至9月初，北路、东路和西路起义军，连续发起攻城作战（有时一路单独进攻，有时两路或三路同时进攻），企图先夺占炮台，进而攻入城内。由于清军拚死抵御，起义军进攻一再受挫。例如，8月3日，北路起义军数千人冒着狂风暴雨，从三元里绕至飞鹅岭，进攻永康、耆定炮台。守台清军发炮拦阻起义军的进攻道路，接着，千总熊应荣率部从正面迎战，游击陈国辉、千总黄大荣率部从三元里进行侧击，迫使起义军后撤。8月17日，东路起义军猛扑距东门五里的保厘炮台。清军同样以部分兵力从正面迎战，以部分兵力从“旁径绕出，夺据要隘”，前后夹击，将起义军击退。8月29日，起义军十余万人从东、北两个方向同时发起进攻，亦未获胜。9月2日，北路起义军又兵分两路出击：一路由三家店至飞鹅岭进攻白云庵，一路向三元里方向进攻。结果，进攻白云庵的起义军遭到两路清军的截击，前进受阻；向三元里方向进攻的起义军进至流化桥时，遭到永康、耆定、保极、拱极和越秀山各炮台清军的炮击，也只好再次后撤。
起义军在连续攻城作战中既不能正确估量主客观条件，又不讲求战术，一味盲目硬攻，忽视侧翼保障，结果，不但没有攻占一座炮台、一个据点，反使自己遭到不小的伤亡，进攻能力日益减弱，给尔后作战带来了很不利的影响。
清军反攻起义军失败阶段
广州清军虽然击败了起义军的多次进攻，但叶名琛仍感兵力不足，顾此失彼，“攻剿则兵分而见寡，堵守则路歧而难防，策应维艰，战守非易”，决定采取集中兵力“专注一处，先行扫荡”，然后并力进攻他路的作战方针。
清军的第一个进攻目标是东路起义军。其部署如下：参将卫佐邦率所部绿营及部分团练为中路，出东门直攻燕塘；千总马超亮率城东团练乘船至东涌登岸，先占簸箕村，然后从右侧进攻燕塘；把总黄镛和县丞郑锡琦分率东莞、潮州兵勇从左侧进攻燕塘；外委赖永清率安邑团练为后应。各路清军于清晨突然向燕塘发起攻击。起义军仓促应战，力不能支，只好突围外撤。一部分由陈显良率领从瘦狗岭撤至新造，另一部分撤至佛岭市。清军攻占燕塘后，将所有草房百余间全部烧毁，实行残酷的烧杀政策。
东路起义军战败后，李文茂北路起义军失去了左翼屏障，便由进攻转入防御，并采取如下防御措施：加强各据点间的联系，主动配合作战；在主要据点周围挖壕筑垒，配置火炮、抬枪，在山坡、田埂、交通要道插上竹签，撒布蒺藜；在有树林的山坡上暗设火炮，布置伏击阵地。
叶名琛在取得东路作战胜利后，即集中东、北两个方向的部队，进攻北路。鉴于北路起义军数量多，据点密布，他决定采取“先分其势，复截其援”，“逐一剿洗”的方针，即首先围攻靠近省城的几个较小的据点，然后进攻主要据点。1854年9月22日至10月1日，清军先后攻占了棠夏、沙涌、三家店、瑶台等起义军据点。10月11日，清军向义勇祠进攻时，突遭分散在附近各乡的起义军截击，被迫后撤。为此，决定首先分路“清剿”东北、西北各乡小股起义军。至1854年10月21日，十三乡的起义军均被击溃。这时，北路起义军尚有佛岭市、萧冈、龙潭观、牛栏冈等重要据点，彼此呼应，互为犄角。迨至1854年11月3日，上述据点也逐一被清军攻占，起义军伤亡重大，余部退向石井、石门等处。
清军攻占北路起义军主要据点后，即采取水陆夹击战术，进攻西路起义军。至1855年1月中旬，石井、石门以及附近各乡的起义军均被击败。起义军首领何六、周春、甘先等率部北上，参加围攻韶州的战斗，后又退入湖南；李文茂则率部转移至南海县的九江。正当清军疯狂进攻北路起义军之际，英国侵略者接受叶名琛的请求，于1855年12月13日公开派遣舰队，闯入珠江，充当清军镇压起义军的后援。叶名琛有恃无恐，便立即进攻省河以南的起义军。但由于省河港汊纷歧，东连狮子洋，西连佛山镇，起义军水军出没无常，曾于大黄滘、新造等处大败清军水师，使清军的“堵剿倍形吃紧”。这时，候补道沈棣辉提出了先破佛山的建议，他认为佛山是起义军的重要据点，是辎重和精锐的集结地，佛山一破，其余便可一战而定。叶名琛接受了这一建议，命沈棣辉统一指挥陆路兵勇近万人，战船百余只、水勇三千人，连同原驻佛山附近的兵勇四千七百余名，向佛山进攻。
当李文茂、陈显良等起义军勇猛攻打省城之际，佛山陈开起义军竟被南海县的大沥、梯云、扶南、太平四堡九十六乡的团练阻止了北进的道路，以致数万起义军偏处佛山，无所作为。沈棣辉在进攻佛山前，察看了各处地形，决定先破与大沥团练对峙的桥头、谢遥村等据点。1854年12月25日至1855年1月14日，清军将佛山外围的据点全部攻占。沈棣辉鉴于佛山道路盘旋，街巷纷歧，事先绘制地图，分发各营，使部队熟悉进攻的街道，明确各自的攻击目标。1855年1月27日，清军分十三路同时进攻佛山镇，起义军首尾不能相顾，纷纷突围。陈开率部向南海县的九江退却，后与李文茂部会攻三水县城不克，遂一齐西进肇庆，与伍百吉部及由广西东下至肇庆的梁培友部会师，进行休整。1855年2月下旬，南路起义军的主要据点也全部失守。至此，长达半年多的围攻广州之战，以起义军失败而告终。
广州解围后，叶名琛下令“凡昔通匪者，吏民格杀勿论”，对广东人民进行血腥镇压。全省被害者约在百万以上，仅广州一地就有十万余人惨遭屠杀。英国军舰也参与围捕退到海上的起义军，几乎把所有北里湾和石浦港的起义军船只击沉，并伙同清军成批地捕杀起义军战士。
广州城墙高厚，四周炮台环列，构成坚固的防御体系。刚刚兴起的天地会起义军，虽然人数众多，但组织松散，武器装备差，战斗力不强，而且没有城内居民的响应，在这种情况下，强攻坚城，显然是不明智的。广州城虽然处于起义军四面包围之中，实际上是围而未死。叶名琛等仍能通过水路，在英、美、法殖民主义者的帮助下，将军需民用物资运进城内，支持其持久作战，并最终挫败了起义军的进攻。半年多的围攻广州之战，起义军不仅消耗了很大力量，而且丧失了向敌人统治薄弱地区发展革命势力的有利时机。大成国起义的辉煌时期（转移广西，开辟以浔州为中心的根据地）
壮烈的结局
面对着高墙以及铜墙铁壁的防守，起义军的失败结局是明显的，虽然这一战役是失败的，但是起义军随后转入广西，建立了大成国，开始了轰轰烈烈的建国之路。
