楚军攻克富阳县城后，左宗棠立即开始着手筹划进攻杭州。他认为浙江太平军以杭州为老巢，以余杭为屏障，以嘉兴、湖州为应援，并仰赖二地为后勤保障， 而从嘉兴、湖州接济杭州余杭又是必经之路。于是，左宗棠兵分两路，以蒋益澧军直攻杭州，魏喻义、康国器合兵攻打余杭。

同治二年（1863年） 八月到十二月，楚军在杭州、余杭均未取得太大进展 ，苦战数月，仅攻破太平军在城外构筑的堡垒数座，但长期围攻却给防守二城的太平军造成巨大压力，一些意志不坚定者开始频频与清军暗通曲款，准备择机出降。

当年年底，太仓守将、会王蔡元隆终于率部向浙江布政使蒋益澧投降，旋改名元吉，蒋令他率部攻打桐乡，被太平军击退。“自杭州至余杭，贼营连数十里。益澧沿江下逼清波、凤山两门，据十里街、六和塔、万松岭，俯瞰城中，自驻东岳庙，贼屡出犯，皆击退。分兵会道员杨昌濬、总兵黄少春攻余杭，败贼城下，匿不出。又破凤山门、清泰门贼垒，由钱江入西湖，夺贼舟。平湖、乍浦、海盐皆下，海宁守贼蔡元吉、桐乡守贼何绍章先后投诚效用。”同治三年（1864年）正月，桐乡守将李文炳叛降，再加上之前降于李鸿章淮军的平湖、乍浦、海盐等地的太平军守将，太平军在杭州北面精心部署的屏障已经全部失陷，杭州与外界的联系仅剩西面余杭一条通道 ，杭城守军的处境更加危殆了。在这种较为有利的情况下，左宗棠决计集中优势兵力攻打杭州城。

二月，蒋益澧军会同德克碑的常捷军向杭州发起持续不断的进攻，昼夜枪炮轰鸣，城内火光冲天，军民死伤颇重。“二月，馒头山地雷发，坏城垣，诸军拥入，战竟日，悍贼多毙，余夜遁，遂复杭州，余杭亦下。”

二月二十三日，蒋益澧率部发起猛攻，德克碑部雇佣军助攻，战况异常激烈，太平军顽强抵抗，用枪炮、滚木礌石阻击楚军，楚军付出伤亡四百余人的惨重代价。

在这样长期围困、日夜鏖战之下，太平军守军发生了两起暗中向清军乞降之事件，主帅、听王陈炳文意志逐渐崩溃，坚守的思想也随之动摇。

三月三日，高连升、刘连升等将领督率水陆各军会同德克碑的“常捷军 ”一同发起猛攻，先后摧毁了太平军在杭州望江门外构筑的三座坚固石垒。三月二十八日，蒋益澧又命高连升、周廷瑞等率军攻打太平军营垒，并让“常捷军”架炮轰击城垣。太平军奋起还击，就在双方你来我往，相持不下时，“常捷军”用重炮将城墙轰出一个巨大的缺口，宽约三丈多，清军趁势沿缺口蜂拥而入。太平军拼死抗拒，楚军见其顽梗，遂转攻葛岭（西湖北宝石山），接连攻破两座堡垒。

三月三十日，蒋益澧分派各军往攻十里街以及武林、钱塘、凤山诸门。太平军守军浴血抵抗，死伤惨重。双方血战至夜，早有降意的杭州主将、听王陈炳文率数万太平军守兵（一说十余万）从武林门撤出，往西逃去；次日，余杭守军也弃城西撤。接着，楚军又乘胜收复了二城周边的一些县城。至此，除湖州、嘉兴仍被太平军控制外，浙江大部又重新归入清廷的统治之下。