在四十架人力牵引式发石机持续一天的打击下，荥阳北城楼被打得垮蹋，城垛也被全部扫平，城墙顶部被打出一个个小缺口，满目疮痍。
至次日，拓拔焘命楼伏连、娥清各统兵一万从北城墙下东西两侧进攻，命元素、丘堆率兵两万从中路攻打大北门，魏军只有三十架云梯相对有点不足，东西各八架，中路则十四架，并同时出动了冲车撞门。
但王仲德也早有准备，在北城头部署了一万兵，其他三面城墙则不过七千兵，还在城内征调了五千六百民夫布置在大北门后的瓮城上，并随时预备接替协防。为防万一，王仲德又让民夫们在瓮城后百步处另修建一道两丈高的二层瓮城，形成三层防护。
这日朝阳初升时，魏军三路攻城，一架架带着大铁钩的云梯翻转着搭上城头，早已待命的豫州兵分队行动，以弓弩手前排持盾遮护，后三排则持续放箭，另以叉杆手手持长长的大木叉杆撬入云梯大铁钩下，底下塞入砖石，以杠杆一样向上撬动，使得云梯一直摇晃不止。
当魏军成队向上攀登时，士兵们抬出整桶烧煮得滚沸的金汁迎着云梯泼撒下去，烫得云梯上的魏军怪叫着下饺子一般掉落下去。
另有每两人或四人抬起整筒的圆木、条石在城头左右甩动几下，然后齐齐大喝一声抛飞下去，圆木相对轻一点，咂在云梯斜面上会一直滚下去，整梯的魏军被打落，有的见机得早，一齐举起盾牌架在头顶，圆木会盾牌顶上翻滚下去。
但条石却非常重，被咂中的魏军几无幸免，顺梯翻滚下去，咂在云梯底部的小木屋上，蒙了牛皮的木质屋顶一下被咂个稀烂。
用云梯攻城，每十人中能有一个爬上城头就算成功，但登城的人数太少也没用，相比于城墙上斜搭的云梯，城门才算是城防最薄弱所在，魏军用六百刀盾手护备城头放箭，以冲车持续撞门一个多时辰后，厚重的大北门被撞得裂开，破烂成几个大洞。
但门后以条石垒筑了一道石墙，魏军冲车还得继续撞击，花了半天，门后石墙被撞得垮蹋，魏军大举涌进城内，却面对的是瓮城上数千弓箭手飘泼般的箭雨，以及大量的滚木擂石投掷，冲进城的前队千余人遭到惨重打击，后队只得退出城。
半天攻城无果，伤亡近两千人后，中午时分魏军撤退，下午调整战术，东西两路仍以云梯攻城，中路则集中兵力猛攻大北门内的瓮城，但魏军一冲进城内，城头和瓮城上守军四面放箭，魏军根本顶不住，一次次被打退了出来，而城外云梯登城也很不顺利。
如此猛攻了三日，魏军士兵战死近五千人，在崔浩观战多日的献策建议下，拓拔焘不得不再次下令调整战术，调两万士兵在荥阳城北挖土，运到城墙下堆积成一道长百步、宽三十步的土梯台，这样使城墙高度大大降低，土台顶离墙顶缩小到一丈八尺高。
眼看魏军如此布置，守御作战经验丰富的王仲德也很快就想到了应对之策，调城南与城东一半兵力及五千余民夫，在城内东南一片区域修筑起一道两丈的矮墙，以将城北与城西分隔开来。并大量拆除城内房舍，将砖块与条石运到城头，并将城西与城北两座临时修建的瓮城加固，以备魏军再次攻打。
而城外魏军连续五天的土工作业，眼看土台一点增高，即将再次发起猛攻时，洛阳再次传来了急报，继外廓城失守数日后，洛阳内城也失陷，拓拔健与长孙道生等退守宫城与金墉城。
只要洛阳还没全面失守，拓拔焘就还有把握反攻下来，偏偏这个时候平城也传来告急，柔然兵分两路南下，西路有柔然世子吴提率兵五万南下，已大败武川、怀朔、抚冥三镇边军，进逼盛乐附近；东路则有秃鹿傀率兵四万从怀荒镇入境，正在抄掠燕州、上谷、昌平，其前锋已逼近幽州居庸塞。
拓拔焘接报却是隐而不发，私下召崔浩到御帐密议问策，时值傍晚，帐内光线有些昏暗，侍从才开始点燃灯烛，拓拔焘出示军报后，静等崔浩看完。
“陛下！去年即从柔然可汗庭传来密报，似乎柔然有派使下南朝建康暗中结盟，如今看来这是真的了，现在我军已是骑虎难下，若就此回师平城，则虎牢不保，洛阳已经守不住了。”
拓拔焘阴沉着脸点了点头，狠声道：“前些年赫连氏的关中之地为宋所取，我朝已失了先机，若再失洛阳、虎牢，从此对南朝将再无优势，是以……朕决意再攻城五日，若能下荥阳则回师救洛阳，若不克……当寻机退兵了！”
“当遣李顺、高湖先往盛乐、幽州稳住局势，无论荥阳能否攻克，洛阳都已经来不及支援了，应传令建宁王先出兵往黄河北岸接应，尽量让永昌王和汝阴公所部撤回河内。”
拓拔焘无奈应下，次日尽起六万大军从城北、城西两面展开进攻，战斗一下变得空前激烈。、
好在王仲德分调宋骐、陶宗万撤离时，留下了大量弓弩与箭矢，守城武器一时还不缺，当魏军全面出动猛攻了三日，北城墙先失守，西城墙也跟着告破，守军全部撤回城内矮墙之后，依托临时工事还能勉强守住。
当魏军大举攻入城内时，城外大营就相对空虚，驻于荥阳之南京县的宋骐听闻荥阳北城失守，率一万步骑抵近到荥阳城西数里之外驻营，出动小规模骑队持续对魏军大营进行袭扰，甚至一度尾随魏军突入西城，对魏军夹攻，以分担守城压力。
而陶宗万也陆续从管城调运粮草兵甲从南门入城，对王仲德主力进行支援，转眼七天过去，魏军攻取北城与西后，却始终无法突入城内矮墙，反倒在巷战中伤亡巨大。
原本只计划攻打五天，但看破城有望，拓拔焘又拖延了两天，结果就是洛阳再传急报，宫城与金墉城也失守了，拓拔健与长孙道生、穆伏真率八千余残兵逃往河阴，途中遇宋军拦截大战一场，又损兵四千余人。
拓拔健差点被俘，在穆伏真断后下才得以逃到河阴渡口，乘皮筏过了黄河一清点人数，原来的七万大军仅剩下两千多人，穆伏真身中七箭，奄奄一息。宋军攻取洛阳后以邓龠率兵三万赶到巩县，向虎牢逼近。
未想战局一步步败坏至此，拓拔焘嗟然长叹，到十月初六不得不撤退回汴口，打算派使往洛阳和谈，以尽快回师平城抵御柔然。