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许远自以才能不及张巡，乃推张巡为主帅，自与姚訚筹集粮秣军资，全力相助。
张巡任主帅后，首先清除内部叛将田秀荣，然后率军出城袭击叛军，再次以少胜众，大败叛军，并缴获大批车马牛羊辎重。张巡将战利品皆分给将士，自己分毫不取。
捷报传至凤翔，唐肃宗遂拜张巡为御史中丞，许远为待御史，姚訚为吏部郎中。
五月麦熟时节，叛军散于城外各处村镇，催督百姓收麦，以充军粮。
张巡命南霁云率军突然冲出，直捣尹子琦大营，斩将拔旗。又命勇士几十人手持钩、陌刀、强弩从城上吊下，潜入护城壕中，趁城外叛军毫无戒备奋勇杀出，再次重挫叛军。
当年七月，叛军再次围城。
此时睢阳内无粮草外无救兵，守军只剩千余人，皆以树皮为食。
叛军强攻睢阳，先用云梯爬城，又用钩车、木马攻城，皆不见效，便又围城挖壕，壕外加筑栅栏，以作长期围困。城中守军多因饥饿而死，存者又大多伤残疲惫不堪。
张巡遂杀其爱妾，煮熟犒赏将士，许远也煮其奴僮以飨士兵。此后城中麻雀、老鼠及铠甲弓箭上皮革皆都食尽。值此绝境之下，休说唐军将士，便是被张巡所策反李怀忠等叛将，亦皆死心塌地帮助张巡守城，誓死不肯再次反唐。
便在此时，御史大夫贺兰进明接替李巨任河南节度使，驻军临淮。
李巨旧部许叔冀、尚衡驻军彭城，却皆持观望，不肯相救睢阳之围。张巡命部将南霁云杀透重围，到彭城求援，许叔冀不允，只答应赠送绢布数千匹，令南霁云带回睢阳。
南霁云愤怒出城，在马上回首谩骂，要求与许叔冀拼死决斗，许叔冀闭城不敢回答。
南霁云又至临淮，见贺兰进明告急求救。
贺兰进明妒忌张巡声望，不肯出兵，又想留下南霁云，遂大设酒宴招待。
南霁云怒发冲冠，拔刀断指，拒绝与宴，上马而去。出得府衙，复回身抽箭，射入佛寺宝塔砖中，愤然道：我若破贼回来，定灭贺兰进明！
出得城来，南霁云自觉饥饿难耐，坐在马上打晃。因思未曾借到救兵，回去无法向主帅交待，遂又来到真源，求见张巡故友李贲，诉说睢阳之困。
李贲闻之大哭，因城中无兵，只得送马百匹。
南霁驱马返回睢阳，在宁陵宿营之时，万幸得到城使廉坦相助三千军队。于是重整精神，率三千勇士乘夜突围入城。
围城叛军发觉有人闯营，加以阻挡，南霁云边战边进，三千士兵大多战死，到达睢阳城下时，只余一千人马。
当时大雾，张巡在城上听到呐喊厮杀之声，对诸将说道：此乃南霁云归来也。
便令打开城门，接应援军入城。南霁云闯营之时，从叛军手里抢得牛马数百头，悉数赶入城中。将士们都执南霁云双手哭泣，感动万端。
南霁云虽然最终闯营入城，亦使叛军判知睢阳已无外援，围攻更急。
城中得到南霁云数百头牛马之助，得以裹腹活命，于是议论出城突围，向东转移。
张巡、许远经过商议，皆认为睢阳是江淮屏障，如果一旦放弃，叛军必会乘胜鼓噪南进，江淮以南必失。而且带领饥饿士兵行军，必然全军覆没。
思索再三，于是决定死守孤城，与睢阳共存亡，生死不计。
至德二年八月，回纥三千骑兵到达灵武。肃宗下达诏命，对叛军全面反击。
广平王李豫率领蕃汉联军攻击长安，燕将安守忠大败而逃。
唐军到达陕郡，严庄急调集精锐抵御，郭子仪于陕州曲沃进击，在新店击溃叛军主力，消灭燕军十余万人，尸体横陈三十余里。
唐军节节胜利，眼见得便可兵进中原，解救睢阳之围。
只是可惜，奈何天不从人愿。十月初九，燕将尹子琦闻报本国叛军在关中节节败退，急欲结束睢阳战事，乃下令全力攻城。
城中唐军将士此时兵不满千，又大都因饥饿伤病，再也无力作战。张巡城门将破，遂向西叩拜，行君臣大礼已毕，起身慨然说道：粮尽兵疲，孤城防卫之计已穷，必不能保全矣。臣生时不能报效陛下，死亦定变成厉鬼，以来杀贼可也。
乃与许远携手相搀巡防，布置最后一石一矢。远望东方天际，见一轮红日喷薄而出。
战至未时，睢阳矢尽粮绝，终至城陷，城门洞开。
尹子琦率燕军一拥入城，张巡与许远二人饿倒在城头之上，虽见燕军来至近前，却已无举刀自杀之力，乃一起被燕军所俘。
叛军将二人押下城头，被俘睢阳将士见到主帅被缚遭擒，皆起立哭泣，悲不能胜。
张巡镇定如恒，向众军说道：诸位将军皆乃我大唐忠贞之士，张巡能与诸公并肩抗贼二载，此人生之大幸事也。此时既落贼手，得其所也，尤需镇静而喜，有何害怕之