在陆路，驻守台湾城的揆一观察到北线尾上的郑军戒备不严，立即命令贝尔德上尉带240名士兵袭击。这些殖民者荷枪实弹，耀武扬威，因为他们有在1652年镇压郭怀一起义的经验，自以为装备优良，城堡坚固，必胜无疑。所以他们口出狂言：“二十五个中国人加在一起还抵不上一个荷兰士兵”，“只要放一阵排枪，打中其中几个人，他们便会吓得四处逃跑，全部瓦解”。在北线尾岛登陆后，这些洋鬼子便以12人为一排，连放了三排枪，然后神气十足，目中无人地阔步前进，全不把郑军的力量放在眼里，敌人的骄傲狂妄正好给了郑军以可剩之机。郑成功命宣毅前镇陈泽率领所部迎击，士兵们纪律严明，训练有素，弹无虚发，十分英勇。双方混战在一起，箭如雨下，荷军无法招架，措手不及。将士们武器装备虽然落后，但英勇顽强，不怕流血牺牲，以一挡十，“士兵低头弯腰，躲在盾牌后面，不顾死活地冲入敌阵，十分勇猛而大胆，仿佛每个人家里还另外存放着一个身体似的，尽管许多人被打死，他们还是不停地前进，从不犹豫”。另一路郑军从后路包抄过来，殖民军腹背受敌，他们初战时的狂傲之气这时已完全被恐惧所代替，惊慌失措，各自逃命。而郑军士兵则乘势猛攻，见人就砍，毫不留情。郑军3000人正面迎敌，另有800人迂回敌后包抄，激战的结果，荷军贝尔德上尉及100多人当场丧命，少数人跳人大海而葬身鱼腹，幸免逃脱的只有80人。
荷兰殖民者不甘心失败，揆一又令阿尔多普上尉率200名士兵乘船渡海为赤嵌楼的荷军解围，然而首先登陆的60名荷军士兵，尚未站稳脚跟就被郑军中的敢死队“铁人”所歼灭。尚在船上的阿尔多普亲眼目睹了岸上发生的一切，惊魂未定，连忙不顾一切逃回台湾城。
荷军投降台湾光复郑成功的大军登陆成功之后，立刻开始了收复台湾，驱除荷兰殖民侵略者的战斗。在台湾人民的支持和配合下，郑成功的水陆两路军队大获全胜。荷军全副武装，有数量充足且装备精良的火枪火炮和大型战舰，而中国军队仅靠弓弩、大马和小型船队就战胜了侵略者，充分表现了中国人民反抗外国侵略的不屈不挠的英雄气概和维护国家主权领土完整的坚定立场。
荷兰侵略者在海陆两路的反击均遭失败后，被迫退缩到两个据点——赤嵌城和台湾城，妄图依据城堡工事作垂死抵抗。郑成功为了减少残敌的反抗，一再勒令荷兰守军从速献城投降，否则必遭毁灭。而驻守在赤嵌城的荷军拒不投降，采用了收缩兵力、固守待缓的方针，赤嵌楼周长45丈，高3．6丈，周围有4座炮台。郑成功在派军围困之后，采取了先弱后强、分割包围、各个击破的方针，让士兵先集中火力攻打4座炮台。荷兰守军顾此失彼，加上粮弹日益缺乏，士气低落，难以长期坚守抵抗下去。揆一见情况急迫，被困荷军毫无反攻或突围的希望，唯一的可以依赖的后台东印度公司的援军又不知何日能到，于是揆一派出两名代表出城与郑成功和谈。他们准备付出一笔赔款劝诱对方退出台湾，如果不成，就同意让郑军暂且进驻台湾，而让赤嵌城守军集中到台湾城附近。双方互不侵犯和骚扰。郑成功识破了敌人企图以“牺牲一部，顾全大局”的缓兵之计，义正辞严地警告荷军代表：“这个岛（台湾岛）是属于中国的。当中国人不需要的时候，可以允许荷兰人暂时借居，现在中国人需要这块土地，来自远方的荷兰人，自应把它交还原主，这是理所当然的事”，“执事率数百之众，困守城中，何足以抗我军……执事若不敌，献城降，则余当以城意相待……”这时赤嵌城内用水仅能维持8天，而火药还不足应付一次反攻，但揆一的使者却不顾城内荷军官兵的安危，坚持要求把赤嵌城内的守兵撤到台湾城为和谈的条件。郑成功坚决拒绝了揆一妄图保存岛上荷军实力的要求，立即缩紧了包围圈，并调集了数10门大炮对准赤嵌城，勒令城内守军无条件投降。城内敌军负隅顽抗，于是郑军火炮开始猛轰。但赤嵌楼城墙颇为坚固，郑军大炮久攻不下。城内的台湾百姓向郑成功献计说，城外高山上有溪水，自上而下绕过赤嵌城，并从城中穿过，是城中人惟一赖以饮用的水源。如果堵塞溪流，那么赤嵌城里的守军不出几天就会放弃抵抗了。郑成功采纳了这一建议，果然使城内的守军惶恐起来。在郑成功大军登陆的第三天，赤嵌城内的荷兰守军放弃了抵抗，乖乖地交出了城堡及所有军事物资，全部守军从司令到士兵约700人都成了俘虏。
郑成功随即派军包围了荷兰殖民者在台湾的统治首府台湾城。
郑成功命令大军从水陆两路围攻台湾城，先用猛烈的火炮轰击台湾城外围的防御工事，从而缩小了对侵略者的包围圈。台湾城周长277．6丈，高3丈多，共3层，城墙四角外突，居高临下，备有火炮数10门，能用密集的火力封锁四周道路，易守难攻。当时，城内共有居民1700多人，其中荷兰军队870人，其余为普通居民。其中有些是妇女儿童，四月底郑军开始攻城，28门火炮齐发，猛轰4个多小时，城墙多处被摧毁，同时荷军以炮火还击。但因荷军地处优势，火炮精良，而郑军地势不利，粮弹缺乏，伤亡较大。所以，郑成功改强攻为长期围困。郑成功认为“台湾孤城无援，攻打未免杀伤”，决定“围困俟其自降”。因为当时形势对郑成功及其军队极为有利，郑成功认为战争大局已定，胜券在握。岛上各族群众得到祖国军队与荷兰侵略者交战的消息后，精神振奋，不约而同拿起刀剑追杀侵略者，捣毁荷兰人设立的官署和殖民机构，在全岛形成了大规模的人民反荷起义。甚至连荷兰人一向认为最为可靠的信奉基督教的新港、法沃兰等地群众也捣毁教堂。焚烧《圣经》、《十诫》之类的书籍。几天前还是不可一世的荷兰人，而今在台湾岛上成了人人喊打的过街老鼠。台湾人民站起来了，这种大好形势使郑成功认为荷兰人在台湾已经是秋后的蚂蚱，不足为患，故而采取了“守株待兔”的战术，以少数部队围困台湾城，“待其自降”，而将大部分兵力抽往南北两路开荒自给，以解决军粮不继的问题。
困守在台湾城内的揆一以为有机可乘，自作聪明，派人劝郑成功撤兵，条件是除了年年向郑成功纳贡以外，再送劳师银10万两。郑成功不为所动。尽管荷兰殖民者贼心不死，一再采取种种卑鄙手法，或用“和谈”拖延时间，或是以金钱利诱，或是乞求援兵，甚至妄图勾结清政府进攻郑成功的军队等等，都没有动摇郑成功收复台湾的决心。
在围困台湾城期间，郑成功的第二批部队在将帅黄安等人的统领下抵达台湾，共约6000人。这样，第一批入台的郑军稍稍缓解了粮食危机，兵力也得到了加强，大军加紧修筑防御设施，修造配备攻城用具和调运火炮，派小部分兵力四处收复其它失地，郑军所到之处，都受到了台湾各族人民的欢迎。
荷军的通讯快艇马利亚号在海战中被郑成功的水师击败后，从台湾沿菲律宾群岛逆风而行，近两个月才抵达巴达维亚，请求援助。巴达维亚当局派雅科布？考宇为台湾司令官，率战舰10余艘、一批货船和725名水兵出发，在1661年8月抵达台湾海面，因为风浪很大不敢靠岸，其中1艘小艇触礁沉没。郑军水师发现了这一情况，立即制定了作战方案。公历9月10日，荷兰救援军在台湾城附近登陆，会合岛上荷军的残余力量分水陆两路进行反扑。荷兰殖民者还商定了战斗目标和行动计划，以卢特？塔华隆？贝斯为总指挥，以2艘主力战舰迂回到市区后面，用火炮摧毁郑军的炮台和战船；派三四百名士兵进攻市区；另派20只左右的船队，攻击附近海面上郑军水师的10余只战船。于对郑军官兵见一个杀一个，不要俘虏；捕捉或焚烧郑军船只的人将得到重赏。
公历9月16日，荷兰舰队首先在海上发起进攻，于是第二次海战爆发。郑成功指挥水师奋力反击，宣毅左镇官兵和戎旗左右协水师官兵同仇敌忾，勇猛杀敌。双方激战还不到1个小时，郑军水师官兵就用火船烧毁了敌舰“克登霍夫”号，用炮火击碎了“科克伦”号，杀死荷兵300名，另外还俘获了小艇3艘，战果辉煌。在陆战中，荷军也遭到重创。荷军眼见郑军人数众多，满山遍野，声势浩大，不敢主动出击，只好固守待援。在外援断绝的情况下，加上粮、药缺乏以及天气酷热，荷军病亡相继，士气低落，斗志消沉，逃亡，投降的事件时有发生，荷军城堡中笼罩着一片绝望的气氛。至此，荷军战死病亡者已达1600多人，仅存700多名缺粮少药的官兵。为挽救垂死的命运，一直漂荡在海面不敢靠近的雅科布？考宇，带着被打败的七零八落的船队（3艘战舰，2只快艇）驰向福建，企图勾结清朝军队袭击厦门，迫使郑成功撤兵。但由于在澎湖遭遇风暴而退回台湾海面，考宇乘机经暹罗逃回巴达维亚，从而使荷军勾结清军夹击郑军的阴谋未能得逞。
在台湾城南侧的小山上，有一处荷兰殖民者精心修筑的城堡，名为乌特利支堡，荷兰人特别加强了对该堡的防守，因为这是台湾城外若干城堡中最重要的一个，如果该堡被攻克，则台湾城必然失陷。郑成功对敌军的意图十分明了，他根据从俘虏中了解的情况，重新布置兵力，在乌特利支堡外围修筑炮台3座。这样，在围困了敌军达8个月之久以后，郑成功决定采取攻势，给负隅顽抗的荷兰殖民者以严惩。
1662年10月，中国军队的火炮再一次轰响，位于乌特利支堡南端和东端的3座郑军炮台，28门大炮齐发，炮弹呼啸着飞向城堡内的荷军阵地。在郑军3个炮台的外围城堡壕里，数千名将士万箭齐射，呐喊者连成一片，惊天动地。郑军在3座炮台里，居高临下，可以用火炮轰击城堡内的每一寸土地，刹那间，2500发炮弹象雨点般落入城堡内，敌军防不胜防，无处藏身，惊慌万状，斗志全无。敌军被迫退回台湾城，郑军顺利攻克乌特利支堡，进一步缩小了对台湾城的包围圈。城堡内的荷兰殖民军头子揆一多次与属下商讨对策。此时他们的外援已毫无希望，即使有援军抵台湾也难能在郑军水师的防范之下登陆，城堡内有战斗力的荷兰官兵仅剩下600人左右。心灰意懒的荷兰侵略者对他们所处的形势已经完全绝望，决定与郑成功和谈，在优惠条件下交出，城堡。经过了几天谈判后，1662年2月1日（顺治十八年十二月十三日），荷兰侵略者终于被迫在投降书上签字。按照条约规定，荷兰殖民侵略者交出了在台湾城的所有城堡、武器、物资，包括大炮150尊，小铳4000支，足够5个月食用的粮食和价值471．500荷兰盾的珠宝现金。郑成功则遵守诺言，对缴械投降的侵略者采取了宽大政策，允许剩余的五六百荷兰士兵在其长官揆一率领下，分剩船舰8艘（其中4艘由郑军发还）退出台湾，并带走了他们个人的财产。就这样，荷兰殖民军头目“揆一降成功，成功纵其归国，台湾平”。至此，沦为荷属殖民地达38年之久的台湾岛重归祖国怀抱。郑成功在驱逐荷兰侵略者，收回台湾的伟大事业中，为祖国和人民立下了不朽功勋，是当之无愧的民族英雄。
郑成功取得收复台湾的胜利，原因是多方面的。首先，郑成功进行的是保卫国家、收复失土、驱除敌寇的正义战争，符合海峡两岸人民的共同愿望，得道多助。其次郑成功的水陆大军纪律严明，训练有素，有一定的作战经验，将士们不畏难险，不怕流血牺牲，表现出了极大的爱国热忱。荷军全副武装，有大量的火枪火炮，而且城堡坚固，船坚炮利，而中国军队只有弓箭、大刀和木船，装备低劣，然而郑军官兵们却用这些简单的装备战胜了握有先进枪炮的侵略者。同时，郑军是在极端艰苦的条件下与荷军作战的。由于粮饷短缺，为减轻当地台湾人民的负担，郑成功除设法从大陆调运以外。还令部队开荒垦田，自给自足，千方百计克服困难。第三，郑成功对出兵台湾成竹在胸，制定了较为正确的作战计划，做到了知己知彼，百战不殆。巧渡鹿耳门，智取赤嵌楼。用火船撞敌舰，水师严守海面断敌外援，然后围困台湾城，使其孤城援绝。郑成功收复台湾，驱逐了“十七世纪资本主义的标准国家”、东方的殖民霸主荷兰侵略者，沉重打击了西方殖民列强的凶焰。鼓舞了亚洲及其它地区人民反殖民主义侵略的斗争，具有世界意义。
郑成功在收复台湾4个多月后，于康熙元年（1662年）五月初八病逝。