歐美聯軍增城留守部隊的覆沒，引起了聯軍聯合指揮部的恐慌，知道又是那支神秘的武裝力量——中國西南農民起義軍的「傑作」，聯軍聯合指揮部司令肯松中將為此緊急採取一些對策，以應對這種不利局面。他命令撤銷所有的小據點，集中所有分散的小股部隊；加大各大據點間的聯絡和防守能力；盡量避免小股部隊的行動；加緊進攻廣州城。
在歐美聯軍採取一系列新對策之下，第51團的作戰效果明顯下降，孫大雄早已料到會出現這種結果，他也不奢望第51團能繼續在運動中大量地殲滅敵軍。他及時地調整戰術，實施人民軍參謀部早已制定好的戰術——小股部隊的游擊戰、特種戰。他把第51團分成三個部分，一個營為一個部分，而每一個營又細分為由十多個或幾十個不等的人數組成的小分隊。其中由第一營組成的各小分隊活躍在廣州城的北部；由第三營組成的各小分隊活躍在廣州城的東部。北部與東部是聯軍東路軍和西路軍控制的地區，也是聯軍圍攻廣州城的力量較為薄弱的地區。另一個部分由第二營分組成的小分隊則進入東莞地區，破壞聯軍的後勤線路。在第51團發動的一系列小規模特種戰中，湧現出許多可歌可泣的英雄人物和光輝事跡，其中許多成功的戰例成了後來人民軍軍校特種兵教學的精彩典範。
歐美聯軍圍困廣州城的一個多月以來，每天不間斷地對廣州城炮轟，城內的軍民日子日愈艱難。而這一個多月裡，聯軍外圍防禦部隊同樣每天都遭受到清軍各種武裝力量和人民軍第51團各武裝小分隊心照不宣配合地搔擾襲擊，人員傷亡越來越多，特別是整個增城防禦部隊二千多人中人民軍第51團之計被大部分殲滅後，使歐美聯軍聯合指揮部震驚不小，不得不一而再，再而三地修改攻佔廣州城的計劃。
現在聯軍外圍防禦陣地和陸軍保障線路破綻百出，聯軍總司令邁克-肯松中將開始懷疑自己攻佔廣州城的總戰略思想是否正解了。「繼續圍而不攻廣州城，能行嗎？目前中國人對聯軍外圍的搔擾戰術對部隊的損害巨大，恐怕廣州城還未能被攻下，聯軍對於廣州城的包圍圈卻早已崩潰了！」肯松中將很憂鬱。
「經過這麼長一段時間的圍困，想必廣州城內的清軍也被消耗得差不多了吧！只要能早日攻下廣州城，那麼就掌握了整個戰役的主動權，中國武裝力量對聯軍外圍的搔擾又何懼之有？」肯松中將暗想。他正準備召集聯軍指揮部的參謀人員商議能否對廣州城發動總攻的可能性。
這時一位高級參謀興奮地跑進肯松中將的房間報告。「將軍，有一件天大的喜事向您稟報。」
「什麼事？」肯松中將有點疑惑。
「有一位自稱是堪賈尼的英國商人，向聯軍提供了一份廣州城的城建地圖，裡面房屋、街道、城牆標記清晰，令人驚歎啊！」
「有這種好事，快有請堪賈尼先生。」肯松中將聽到此等好消息，驚喜不已，這可是他夢寐以求的好東西啊！
「尊敬的將軍閣下，很榮幸能得到您的賜見，在下深感興奮！」英國人堪賈尼有點得意的走進肯松中將的房間。他是一個相當精明的商人，他游移的眼神除剛開始進門時尊敬地看了肯松中將兩眼後，就一直在屋內那些值錢的古董和發光的銀器上掃動。
「尊敬的堪賈尼先生，你好！非常感謝你對聯軍的真誠幫助。請問堪賈尼先生，你的這張廣州地圖從何而來？真偽如何？」肯松中將擔心的是這張地圖的可信度。
「將軍閣下，你不用擔心這份地圖的真偽，它是我依據近年的廣州城建築結構佈局親手繪製的。」堪賈尼看出肯松中將的懷疑，清楚地解釋。
「哦！尊敬的堪賈尼先生，你是我們的幸運星，能有如此先見之舉，真是上天對我聯軍的恩賜啊！聯軍的幾萬將士感謝你！」肯松中將聽到堪賈尼先生的保證，心裡明白堪賈尼的話裡有假，但並沒有點破他。他從堪賈尼那貪婪的眼神中知道，只要給予他合適的價格，他會滿足的，而往往這種貪婪的商人所說的話都是真真假假，假假真真，不過，只能這份地圖是真的，他也不想計較那麼多了，他相信這個堪賈尼不敢騙他。
其實這幅廣州城的地圖並不是英國人堪賈尼繪製的，而是一位法國旅遊愛好者第一次來到神秘的遠東大陸，進入廣州城後，為其與歐洲建築完全不同的風格所迷醉，也為其嚴謹的佈局和巧妙的結構驚歎不已，遂一時興起而請了幾個中國人幫忙，依靠自己學過的測繪知識，詳細地繪出了這一份廣州城城區地圖。在這位法國人將要離開中國時，由於所帶經費用盡，連路費也出現了問題，求助於在廣州城的西歐商人，卻沒有一個人願意幫他。後來，他實在沒有辦法，把他繪製的這一份廣州城地圖臨摹了一份後，把原件拿出來出售，希望能籌集到路費。由於這位法國人索價過高，仍沒有一個人願意購買這份地圖。一日英國商人堪賈尼無意中看到份地圖，意識到這份圖的價值，慧眼識圖，重金買了下來。事後，堪賈尼1853年因家事回國，不久就聽說歐美幾國列強組成聯軍將要攻打清國，很興奮，後又傳來聯軍進攻廣州城失敗的消息，他意識到自己發財的機會來了。他期待這一天的到來很久了，於是，他匆匆地從歐洲大陸攜帶廣州城地圖來到中國獻圖。
「尊敬的堪賈尼先生，你能獻出如此有價值的東西，想得到什麼報酬？對於你的幫助，聯軍只能用金錢來交換了。」肯松中將詢問堪賈尼。
「這份地圖來之不易，耗費在下許多的心血，我是一個商人，非常希望從多方面為聯軍偉大的遠征業事效勞。」堪賈尼並不想一次性地成交廣州城地圖。
肯松中將聽他如此說，自然明白其意思。「只要能順利佔領廣州城，其它的方面，都是可以考慮的，何況聯軍的任何付出將來都可以從中國人身上百倍千倍的索要回來。」肯松中將想到此，慷慨地說：「如果堪賈尼先生願意的話，等聯軍佔領廣州城之後，先生可以參與到對廣州城的搜捕和重建的活動中去。」
堪賈尼喜出望外，沒有想到肯松中將會給自己如此優厚的條件。「參加廣州城的搜捕，那就是明目張膽的搶掠；參與廣州城的重建，那就可以多方面地勒索中國人。」堪賈尼心裡暗自思量，狂喜不已。為了確保肯松中將對自己的承諾的有效性，他委婉地向肯松中將索要一份聯軍聯合指揮部發放的特別證明，上面簽有肯松中將的大名。待這一切都辦妥後，堪賈尼才心滿意足的離開。
有了這一份廣州城實物地圖，歐美聯軍對廣州城的進攻進展順利許多，許多清軍重點把守的據點很快被一一摧毀。特別是聯軍海軍艦炮的命中率明顯提高，由美國海軍少將尤斯率領的聯軍海軍編隊依據英國商人堪賈尼先生提供的廣州城城區圖，大致猜測出清軍廣州城的明暗炮台和軍政衙門的位置，測出方位距離後，大量的艦炮轟擊，給予清軍防守部隊極大的打擊，慢慢地聯軍海軍已能接近廣州城東南面的珠江東岸了。
經過一個多月的飽和炮擊，連接廣州城內「接官大道」的南角碼頭，已不復存在，其周圍五百米內的所有建築物都被炸塌，看不到一個活人，也聽不到一點聲音，只有徐徐上升的殘簷斷柱所燃起的煙霧在飄緲。這時，幾十艘身形龐大的聯軍軍艦出現在珠江水面，這本是自廣州戰役以來，天天都會重複的情景，可今天跟往常有很大的不同，後面拖沓的長長的船隻，明顯地不是炮艇軍艦，而是運兵船。南角碼頭的清軍抵抗已不復存在，聯軍運兵船在武裝軍艦的保護下仍是小心翼翼地登上珠江東岸，這是第二次廣州戰役以來，聯軍第一次如此近的接近廣州城。上了南角碼頭，就逼近了廣州城的大西門，現在的大西門已是破爛不堪，被聯軍火炮轟塌的城牆和正大門還未來得及修固，只是隨意地堆滿了石頭磚塊，可能隨便的一聲炮響，都可以把這一堆亂石給震瀉下來。
今天是公元1854年5月28日，也是歐美聯軍對廣州城發起總攻之日，隨著大隊聯軍陸軍的登陸，艦炮第一聲炮響轟向欲意癱塌的廣州城大西門，聯軍向廣州城發起的總攻正開始。
聯軍在廣州城的四個方向同時發起攻擊。東門與北門是佯攻，僅有少量的炮火和士兵在作著可有可無的進攻；而西門和南門情形就完全不一樣了，不管是炮火還是雙方投入的兵力與東門和北門相比，不可相提並論啊！雙方都集中大量的軍隊在此攻防。聯軍一番猛烈炮火轟擊後，慢慢逼近廣州城牆，一些聯軍士兵搭架雲梯開始登城。到處是人叫聲、槍聲、炮聲；到處是火光沖天，人仰馬翻，戰爭處於膠著狀態，清軍不斷有人從城牆上被射落下來，一個又一個像運動員在做高空跳水運動一樣，不過，姿勢並不優美，難度係數為零，而且許多還是頭先落地或是橫擺著砸向地上，落下的人往往是伴隨著一聲聲「啊！啊！」的叫聲，樣子極其慘烈悲壯。
清軍城牆上的各種火炮、投石車、弓箭手、火器營也給攻城的聯軍造成很大的傷亡。許多聯軍士兵在最接近城牆時，也是他們最接近上帝時。聯軍優越的火器還是發揮了巨大的作用，廣州城大西門一處城牆被炸塌後，紛湧的聯軍士兵，向裡衝去，裡面的清軍連忙調集二千多人封堵此一缺口，雙方軍隊在此混作一團。
在這裡，雙方短兵相接，沒有任何的理智可言，全都是憑本能，瘋狂地拚殺，清軍漸漸不支，慢慢地向城內退去。站在缺口城牆上的一位清軍副將不敢想像聯軍攻進來後廣州城的慘樣，顧不得下面雙方混作一團的敵我兵士，命令城牆上的士兵，不分敵我，拚命往下砸石塊磚頭。雨點般的物體從天而降，頓時在缺口處混戰的幾百人不分敵我，退閃不及，全都被砸死在缺口處，場面慘不忍睹。許多人的腦漿、腸肚都被砸了出來。聯軍不想失去這一個千載難逢的攻進廣州城內的機會。迅速從預備隊中調入一大隊的聯軍士兵，分左右兩塊，不斷地對著站在城牆上的清軍射擊，那些舉著石頭磚塊往下扔的清軍士兵，剛一露頭，馬上就被聯軍士兵射爆了。站在上面的清軍紛紛躲避，再也不敢輕易露頭。這時，又有一大群的聯軍士兵從這個缺口向廣州城內衝去，情況相當危急，在清軍副將嚴厲的督促下，清軍士兵冒著生命危險，重新往下砸各種物體。這個缺口成了一個巨大的黑洞，不斷地吞噬著雙方士兵的生命，一時半刻，雙方在此成了一場消耗戰，不過，清軍的消耗幾倍於聯軍。
聯軍其它的地方為了減輕缺口處聯軍的壓力，明顯地加緊了進攻，清軍不能繼續調集大量的部隊來增援這個大西門處的缺口黑洞，只能派出一部分士兵，驅趕城內的老百姓上來搬石塊填缺口。對於這些行動緩慢，有氣無力的老幼婦孺，聯軍的士兵照射不誤。老百姓們見聯軍火器如此威力，嚇得直哆嗦！不管清軍怎樣督促，也不敢起身去搬石頭拋磚塊。副將將心一狠，下令對所有不願行動的老百姓一律砍殺。待砍死幾個人後，老百姓才戰戰兢兢地又開始搬石頭填缺口。
老百姓必竟不如清軍的士兵那樣孔武有力，動作麻利機動，僅僅只是一會兒的耽擱，已有許多聯軍士兵衝入廣州城中，他們迅速佔據一個有利的地勢開始射擊城牆上的清軍。在聯軍裡外配合之下，一隊一隊的聯軍士兵湧入城中，廣州城城破在際。
聯軍完全佔據住缺口後，在此建立穩固的保護陣地，洶湧的聯軍士兵源源不斷地通過此一缺口進入廣州城中，並按計劃有組織地四下擴散開來。清軍曾試著搞了幾次大規模地對缺口處的聯軍的衝擊，除扔下一堆又一堆的屍體外，沒有任何效果，只能無奈地退入城中，準備與聯軍進行巷戰。清軍放棄了大西門的缺口，就意味著放棄了對廣州城整個城牆的防守。衝入城中的聯軍，有兩個部分的士兵分左右衝上廣州城牆，一路掃蕩過去。面對聯軍如此密集的前進方陣，牆頭上的清軍擋無可擋，秋風掃落葉般地紛紛墜下牆去。一個時辰後，從左右分別掃蕩過來的聯軍，重新在廣州城的大東門處會合，這樣廣州城的四個門都已被聯軍佔領。四個城門被打開，聯軍候在外面多時的部隊從另三個方向湧入廣州城中。
完全退入城中的清軍仍在與聯軍作著殊死抵抗，每一間民房，每一座府邸都有清軍戰鬥的身影；每一條小街小巷都是血染的戰場。聯軍每一步的前進，都要會出血淋淋的代價。常常在聯軍士兵最預想不到的地方會射出一支憤怒的箭來，或是聯軍士兵認為是死角的巷尾街末卻會衝出一隊赤著上身揮舞大刀長矛的清軍來，每到這個時候，大多是清軍戰至最後一個人，聯軍僅是稍有損失而已，場面悲壯殘忍。儘管清軍士兵們視死如歸，勇往直前，但許多都是徒勞的，在與聯軍先進的戰術、戰法及優越的火器相比，清軍及所組織的民團武裝的衝鋒無疑就像是去送死。
遭到如此頑強的抵抗，聯軍的傷亡也很大，他們老羞成怒，一點一點的向前移，見一間房屋，燒一間房屋；見一棟樓房，拖上小型火炮轟一棟樓房，許多隱蔽在其中準備偷襲聯軍的清軍民團，紛紛被大火燒出來或是被濃煙熏出來，剛出面就被聯軍早已準備好的槍陣射成了馬蜂窩。採取這種戰術後，聯軍的傷亡減少許多，但整個廣州城卻不成樣子了，到處是濃煙滾滾，到處是烈火熊熊。
歐美聯軍從大西門和大東門攻進廣州城的部隊遭遇到的抵抗最為頑強，進展也最為緩慢。從大東門到大西門是廣州城東西走向的主幹街——惠愛坊，也是清軍政衙門密集的地方，當然也是清軍抵抗力量拚命保護的地主。參與進攻此處的聯軍對這條街恨之入骨，這裡不知吞噬了他們多少士兵的生命。而且這裡也不像其它地方的民房一樣，可以輕易靠近想燒就燒，想搜就搜。這裡清軍的每個衙門都置有明暗炮台，聯軍不能輕易靠近，只有等待己方的火炮上來，轟平清軍的明暗炮台後，才能繼續前進。
慢慢地清廷的廣東布政司衙門、廣州府、兩廣總堂都被聯軍一一攻克了，現在僅剩下將軍府和左右都統府仍在作著殊死抵抗。而與之反，番禺縣和廣東巡撫部院的清廷官員面對這種慘烈的戰爭場面，嚇得面如灰死，不等聯軍的士兵衝入府中，早已驚恐地跪地求饒，並主動地把清軍的各炮台位置點明給聯軍，更有甚者，還帶著聯軍士兵搜尋躲藏抵抗的清軍士兵。看見被搜出的清軍士兵被聯軍殘忍地被屠殺，他們還諂媚地說：「殺得好！殺得好！該殺！」
大勢已去，兩廣總督高連升不想見到更多無辜的平民遭到戰爭的塗炭，派出代表與聯軍談判，同意城士兵放棄抵抗，但聯軍必須答應不得對廣州城守軍及平發進任何的屠殺。聯軍指揮部肯松中將同意了清廷兩廣總督府的要求。
全城所有清軍武裝抵抗組織接到命令：放棄下武器，接受聯軍的安排。第二天清晨，廣州城的戰火基本熄滅，一大隊一大隊的清軍被聯軍驅趕到廣州城北部城外的一處草坪中。放下武器的清軍士兵正疑惑聯軍有何為時？突然聯軍士兵的槍聲響起，所有的清軍全被屠殺殆盡。接著，其它各國的聯軍士兵，根本不顧聯軍聯合指揮部與清廷兩廣總督府簽署的投降條約，在廣州內大肆燒殺搶掠，姦淫屠殺，整整三天，廣州城變成了人間地獄。有四萬清軍士兵、七萬平民被殺，一萬多中國婦女被侮辱。
這次五國聯軍攻佔廣州城傷亡一萬五千多人，其中七千二百二十二人陣亡。