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恼羞之下，令狐潮增兵又来，重新围城。令狐潮与张巡是老相识，在城下劝诱张巡：“朝廷现在兵不能出关，天下大势已去，您以老弱残兵守此危城，尽忠无主，不如投降下城与我共图富贵。”张巡答言：“从古义来讲，君主杀掉父亲，为臣为子的不能报怨。您以妻儿被杀怨恨朝廷，借贼之力想要报复，可以预见您最终一定为朝廷所戮，而且百世骂名难逃！您平生以忠义自诩，今日之事，忠义何在！”令狐潮羞愧而去。
由于当时各地交通隔绝，城中有六名将领暗中联合，一起到张巡面前表示说已经筋疲力尽，不如降敌。张巡假装答应，转天，他在堂上摆设天子画相，率众军将朝拜，人人感泣。张巡下令士兵把六名将领引至堂前，责其不忠于国家，立斩于前。由此，将士人人思奋。
城中粮食很快吃尽。张巡假装率众军在城内建竖壁垒，作战斗状，令狐潮带着大队人马来攻，剩下几百艘运送盐米的船只无人看守。张巡派人袭取，得粮盐千斛，其余一把火烧光。不久，唐军箭只射尽。张巡派军士绑扎千余个草人，穿上黑衣，半夜用绳子吊下城墙。令狐潮兵士见有人下城，万箭齐发，由此又得箭数十万只。后来，张巡于夜间又用绳子吊下真人，贼兵于外望见，哈哈大乐大嚷“不上当”，殊不料这些敢死之士下得城来，大刀逢人就杀，贼军大乱，营垒践毁过半，逃奔十多里。喘定之后，贼军又惭又怒，增兵重新把雍丘围得铁桶一般。
又隔数日，城中防具渐竭，张巡就骗令狐潮，说实在守不住了要出奔弃城，但让敌军退居二舍（六十里地），让出道路给唐军突围。令狐潮信以为真，答应下来。张巡率军士空城而出，把四面几十里地范围内的房子全部拆掉，运回防备所需的木头。令狐潮大怒，又引兵合围，责问张巡失信。张巡说：“你给我三十匹快马，我好与诸将乘之而去，此城就归您所有。”令狐潮得城心切，派人送三十匹马入城。张巡得马后，分配给军中最能战斗的骁将，说：“明天贼军出现，每人各取敌方一将！”转天，令狐潮于城外等消息，张巡在城头露面，对令狐潮说：“我想离开此城，无奈众将不答应。”令狐潮闻言，差点气死，勒兵欲战。还未成阵，城门大开，骑着贼军所送三十匹快马的唐将奔出，直突入阵，转眼之间有十四名贼将被擒，唐军趁机进攻，斩首百余，得器械牛马甚众。
令狐潮终于丧气，跑到陈留（今河南开封），自己再也不出来和张巡近战。
四个多月以来，贼军数万人围城，张巡兵仅二、三千，每战都胜敌，着实不容易。至德二年（757年），安禄山被儿子杀掉，安庆绪继位。叛军大将尹子奇率十三万大军直破睢阳（今河南商丘），企图攻取睢阳后，沿运河一线进发，尽取江南富庶地区。鲁郡、东平很快失陷，济阳唐军降于叛军。分析形势后，张巡带着仅有的三千兵卒赴宁陵，恰值睢阳太守许远告急，双方合军，共保睢阳。宁陵一战，张巡手下大将雷万春、南霁云杀敌将二十，斩首万余，投尸汴水，河水为之不流。胜讯达至朝廷，诏拜访张巡副河南节度使。
张巡想乘胜进击陈留。贼师尹子奇闻讯，复率大军围睢阳城。张巡鼓舞将士，杀牛飨士，整军将战。十几万叛军中，又有数万同罗、突厥等族精锐，他们望见城下列阵的五、六千唐兵，衣衫褴褛，面目憔悴，都不禁大笑。张巡、许远亲自于阵前擂鼓，唐军奋死，贼军抵挡不住，奔逃数十里。
相持至夏六月，唐军忽守忽战，弄得城外十来万贼军疲惫不堪。张巡派大将南霁云等人开城门忽然冲至尹子奇大帐近处，斩将夺旗而还。有个柘羯族大酋长亲率千余重甲骑兵，耀武扬威，在城下高喊要张巡来斗。张巡暗中派数十名唐兵埋伏在护城河河道内，持钩枪、陌刀、劲弩候着，约定听见鼓声一响就出击。羯奠依恃人多，洋洋自得，城上唐兵突然齐声大喊，鼓声大动，埋伏的唐兵一跃而起，活捉了这个柘羯大头目。后面众贼欲救，唐兵劲弩齐发，射倒一片，只能眼睁睁看着埋伏的唐兵捆着羯酋又攀绳上墙，没一个敢前去。
贼首尹子奇闻讯出城，站于众将之间向城上观望。张巡想射死这个贼头，但不知一群人中到底是哪个，就派人用根蒿草杆代箭，射向那一堆人。“中箭”的人见草杆大喜，因为这意味着唐军已经矢尽，忙举箭杆向尹子奇报告。张巡此时知道尹子奇为谁，忙令南霁云发箭，正中尹子奇左眼，只听惨叫一声，贼头倒于地上。贼军因此暂退。一个多月后，尹子奇左眼虽瞎，又率叛军再围睢阳。
睢阳本来有存粮六万斛，先前被昏庸无能的宗室嗣虢王李巨运走一半。至此，睢阳粮绝，城内唐兵每天只有一勺米吃，掺合树皮和纸一起煮着吃。战至最后，只剩一千多伤残兵士，城池仍然不能被功破。最后，尹子奇索性不再攻城，在城外深挖地道，密树木栅，只待城中唐兵饿死。眼见兵士饿得不成人形，张巡把爱妾唤出，对将士们说：“诸君一直挨饿，忠义不衰，我恨不能把自己的肉割下给你们当粮食吃！今出此妾，暂让诸君填腹弃饥！”于是忍痛杀妾，以人肉为食。在场兵士皆匍伏痛哭，张巡强令众人食之。太守许远也杀仆人，作成干粮充军。最后，城内雀鼠皆被吃光，唐兵开始煮铠甲弩弓为食。
当时，唐廷御史大夫贺兰进明屯兵临淮，另一位挂御史大夫衔的许叔冀拥兵彭城，这两个人分属朝廷不同的帮派，各自心怀鬼胎，怕对方趁乱攻击自己，都坐看睢阳危急，不肯出兵相救。张巡派南霁云先去许叔冀处求兵，这位大夫只从城墙上扔下千多匹布给南霁云，气得这位将军在马上高骂，唤许叔冀下城一决死斗，“叔冀不敢应。”无奈，张巡又派南霁云带三十骑出城突围前往临淮求救。贼兵万余一拥而上前来阻挡，南霁云弯弓搭箭，左右驰射，无一虚发，贼众披靡，一行人趁机突出。
贺兰进明也是进士出身，但精神境界比起张巡简直是天上地下，怯懦不说，又忌妒张巡声威赫赫，恐怕自己助他成功守城后更显衬得自己渺微，根本没有任何出兵相救的意思。他反劝南霁云：“睢阳陷落是早晚的事，救也无益。”南将军乞求：“城池应该还没被攻陷，请您出兵，如果兵到时睢阳不存，我当以死相谢！”见南霁云勇武绝伦，贺兰进明也顿起惜才之意，想把这位姿容俊美的青年将军留在自己军中效力。为此，贺兰进明大摆宴席，盛设声乐，与临淮诸将频频举杯向南霁云敬酒。
丝竹艳声弥弥于耳，山珍海味盈盈于席，南将军悲不自胜，泫然涕下，说：“昨天我冲出睢阳的时候，将士们已经有一个月没有牙沾粒米，天天吃树皮、草根。现在大夫您不肯出兵相救，却在此广设声乐请我大吃大喝，我怎忍心自己享用这些东西呢。即使吃进嘴里，想想睢阳城里的兄弟，又怎能下咽进腹！如今，主将派我的任务我没有完成，霁云我留下一指以示信！”言毕，南霁云拨出佩刀，剁下一指。“一座大惊为出涕”。南霁云一口东西没吃，纵马离城。
出城之后，南霁云抽箭回射佛寺浮图，镞深入砖，恨恨而言：“等我破贼后，必灭贺兰进明，这只箭就表示我的决心！”大儒王渔洋有诗赞曰：
范阳战鼓如轰雷；东都已破潼关开。
山东大半为贼守；常山平原安在哉？
睢阳独扼江淮势；义激诸军动天地。
时危战苦阵云深；裂眦不见官军至。
谁欤健者南将军；包胥一哭通风云。
抽矢誓仇气慷慨；拔剑堕指何嶙峋？
贺兰未灭将军死；呜呼南八真男子。
中丞侍郎同日亡；碧血斓斑照青史。
淮山峨峨淮水深；庙门遥对青枫林。
行人下马拜秋色；一曲淋铃万古心。
《南将军庙行》
（《全唐书》也载贺兰明两首长诗，语意慷慨，情深意切，与其在战场上的怯懦和虚伪表现判若两人，兹录其《行路难五首》于下：君不见岩下井，百尺不及泉。君不见山上苗，数寸凌云烟。人生赋命亦如此，何苦太息自忧煎。但愿亲友长含笑，相逢不乏杖头钱。寒夜邀欢须秉烛，岂得常思花柳年。 君不见门前柳，荣耀暂时萧索久。君不见陌上花，狂风吹去落谁家。邻家思妇见之叹，蓬首不梳心历乱。盛年夫婿长别离，岁暮相逢色已换。 君不见芳树枝，春花落尽蜂不窥。君不见梁上泥，秋风始高燕不栖。荡子从军事征战，蛾眉婵娟守空闺。独宿自然堪下泪，况复时闻乌夜啼。 君不见云中月，暂盈还复缺。君不见林下风，声远意难穷。亲故平生或聚散，欢娱未尽尊酒空。叹息青青陵上柏，岁寒能有几人同。 君不见东流水，一去无穷已。君不见西郊云，日夕空氛氲。群雁裴回不能去，一雁悲鸣复失群。人生结交在终始，莫以升沈中路分。）
南霁云回睢阳路上，从真源和宁陵守将处各得马一百多匹，军士三千人，趁黑夜冒围而入。叛军惊起，众兵层围，南霁云率军且战且进，到城下时身边兵士剩下不到一千。当时大雾弥漫，张巡听见城外厮杀声起，叹息说：“这是南霁云回来了。”城门开启，南霁云与士兵又把刚刚夺取的贼军数百头牛赶进城中。守城将士见外面并无唐军救援大部队，知道待援无望，纷纷相持而泣。
贼军得知周围唐兵不救睢阳，攻城愈急。众将中有人主张弃城东奔以图将来，张巡、许远坚持不可，认为如果丢掉睢阳，江淮必被叛军一鼓而下。而且饥兵行远，半路就会被消灭干净。在最后的日子里，为了困守孤城，睢阳城内妇女老弱三万余人战死或将死之际都为守军吞泪而食。“人知将死，莫有畔者。”可谓是一城忠义，千秋难匹。张巡在他生前最后一首诗《守睢阳作》中，表述了他自己的心境：“接战春来苦，孤城日渐危。合围侔月晕，分守若鱼丽。屡厌黄尘起，时将白羽挥。裹疮犹出阵，饮血更登陴。忠信应难敌，坚贞谅不移。无人报天子，心计欲何施。”
至德二年（公元757年）十一月，贼兵又聚众猛攻，守城将士皆伤病不能再战，大多数人连站起来的力气都没有。张巡西向拜跪天子：“为臣力竭不支，生不能报答陛下，死当为厉鬼击贼！”士兵痛哭呜咽，不能仰视。城陷。
已成“独眼龙”的贼将尹子奇按捺住一腔的邪火，迎面看见昂头挺胸、被缚而来的张巡，阴阳怪气地问：“闻公督战，大呼辄眦裂血面，嚼齿皆碎，何至于此？”张巡答道：“吾欲气吞逆贼！”尹子奇大怒，用刀刃剔割张巡嘴唇，撬开之后，果然见将军嘴里只剩下三下颗牙齿。张巡怒骂：“我为君父死节。你依附叛贼，猪狗不如！”尹子奇以刀刃抵张巡喉头要他投降，张巡大笑。
见张巡不屈，尹子奇又踱到南霁云面前说降。南霁云低头不吭声。张巡大呼道：“南八（南霁云大排行第八），男儿死则死耳，不可为不义屈！”南霁云笑答：“欲将有为也（意思是本来想假装投降趁机再找机会杀贼），公即有言，敢不致死！”摇头不降。
于是，张巡、南霁云、雷万春、姚訚等三十六将同时被杀。张巡时年四十九。太守许远被贼军俘送洛阳，大骂不屈，至偃师被杀。事后，人们因为许远未受惨刑而俘送洛阳一事议论纷纷，张巡的儿子张去疾成人后也追翻旧案，上诉朝廷说当时许远有贰心。直至元和年间，大儒韩愈才予以定论：“许远是睢阳太守，一般屠陷城池以生擒主将为功，所以许远稍后死节只不过是徇节先后的问题，不存在许远畏死而变节的事情。（许远是唐高宗时大奸臣许敬宗的曾孙，或许因此人们对他的人品有疑。其实，忠臣之后未必忠，如岳飞之孙岳珂；奸臣的后未必奸，如许远。）睢阳城被围时内有军民六万，城破后，仅存四百人。古来忠节惨烈者，莫若此城！
睢阳城陷三日后，代替贺兰进明的河南节度史张镐援军大至；十日后，广平王李俶（后来为唐代宗，攻名李豫）收复东京洛阳。张镐知道张巡事迹后感动异常，上表朝廷请求赠谥。当时，朝中有好几个腐儒还对张巡守军在睢阳食人为粮一事大为抵毁，“与夫食人，宁若全人？”意即还不如或走或降，保全一城性命。朝廷犹疑之际，张翰、李纾等诸多当代名士纷纷抗表，极言张巡睢阳之守的显赫大功，认为他沮遏贼势，保全江�