明军从禾寮港登陆扎营后，即遭到赤嵌城荷军的炮击。同时，荷军又放火焚烧马厩、粟仓。明军恐被焚烧粮粟，派出一支部队前往看守堵御。接着，郑芝龙调整了部署：命令王大雄、陈蟒率领统船控制鹿耳门海口，以便接应第二梯队登陆；令宣教前镇陈泽率兵防守北线尾一带，以保障主力侧后安全，并置台湾城荷军于腹背受敌的境地，另派兵一部监视台江江面，切断赤嵌城与台湾城的联系，为从海、陆两面打败荷兰侵略军的反扑作好了准备。
  四月初三，在北路发生了北线尾陆战。北线尾是一个不到一平方公里的沙洲，南端与台湾城相对，北端临鹿耳门航道。荷军贝德尔上尉趁明军刚刚登陆，率领240名士兵，乘船沿台江岸边急驶北线尾，上岸后即分两路向明军反扑。贝德尔指挥荷军以12人为一排，疏开战斗队形放排枪，逼近明军。陈泽率大部兵力从正面迎击，另派一部分兵力迂回到敌军侧后，夹击荷军。这个时候的火器和冷兵器之间还没有发展到有代沟的地步，面对荷兰军队的进攻，明军的方法比较的简单，组织好阵势，在大盾的掩护之下，弓箭手一边前进一边向前面的空中抛射弓箭。反正前面只有荷兰人，密集射击之下完全可以不用考虑准确率的问题。荷兰文献记载：明军“箭如骤雨，连天空似乎都昏黑起来”。
  贝德尔发现自己腹背受敌，手足无措。他所指挥的荷军士兵的勇气，这时则完全为恐惧所代替，许多人甚至还没有开火便把枪丢掉了。他们抱头鼠窜，落荒而逃。明军乘胜猛攻，将荷军“一鼓而歼”，“夷将拔鬼子战死阵中，余夷被杀殆尽”。
  南路增援赤嵌城的荷军，也被明军战败。这支200人组成的援军由阿尔多普上尉率领，乘船沿台江南岸驶往赤嵌城，企图为描难实叮解围。郑芝龙发现后，立即出动大批的军队还击。他们双手挥舞大刀（荷兰人称为“豆腐刀”），奋勇向荷军砍去。200名荷军士兵只有60名爬上岸，当即被明军消灭。阿尔多普率残部逃回台湾城。
  阿尔多普出援失败，赤嵌城守敌越发着急。描难实叮派人前往台湾城，要求揆一再派百余人救援赤嵌城。评议会研究，台湾城的处境危险，兵力不足，“如果再派出一支援军，则用以保卫热兰遮城堡及其周围地区的全部后备军将不足500名。而这支队伍又是战斗力最弱、最缺乏作战经验的士兵所组成的，所以决定拒绝普罗文查要塞司令的请求”。
  荷兰海军以仅有的两艘战舰和两艘小艇阻击明军。荷军战舰船体很大，设备先进。郑芝龙以60艘大型帆船包围荷兰战舰，荷舰“赫克托”号首先开炮，其他战舰也跟着开火，明军水师在陈广和陈冲的指挥下，个个奋勇争先。经过激烈战斗，“赫克托”号被击沉。其他战舰企图逃跑，又被明军舰船紧紧包围。明军用五六只大帆船尾追“格拉弗兰”号和“白鹭”号，展开接舷战、肉搏战。英勇的明军士兵冒着敌人的炮火爬上“格拉弗兰”号，砍断船靠，又用铁链扣住敌舰船头斜桅，放火焚烧。“格拉弗兰”号和“白鹭”号受重创挣脱逃跑，通信船“伯玛丽亚”号战败后逃往巴达维亚。
  荷兰海、陆作战均告失败，赤嵌城和台湾城已成为两座孤立的城堡，相互间的联系完全割断。荷方承认，当时赤嵌城守军“力量单薄，处境危急”，“热兰遮城堡也由于地势关系，难以坚守，热兰遮市区更是完全处于敌军的包围和控制之下”。
  郑芝龙随即加紧对赤嵌城的包围。该城周围45丈，高3丈6尺，城墙上有4座炮楼。四月三日，明军的士兵在赤嵌城外抓到了描难实叮的弟弟和弟媳。郑芝龙对他们讲明利害，令其回城，劝说描难实叮投降。接着，又派部将杨朝栋和翻译吴迈、李仲前往劝降，表示绝对不会加害他们，并允许荷兰人带走自己的财产。四月四日，赤嵌城的水源被台湾人民切断。描难实叮见援兵无望，孤城难守，不得不挂白旗投降。这样，郑芝龙在登陆后第四天，就收复了赤嵌城。
  描难实叮投降后，奉郑芝龙之命前往台湾城劝揆一无条件投降，遭到揆一拒绝。郑芝龙与诸将分析形势，认为不给侵略者以迎头痛击，敌人是不肯投降的，于是命令军队从鲲南端登陆，“移扎鲲山即一鲲，候令进攻台湾城”。
  台湾城是荷兰殖民者在台湾的统治中心，城堡坚固，防御设施完整。城周长200多丈，高3丈多，分3层，下层深入地下1丈多，“城垣用糖水调灰垒砖，坚于石”。城四隅向外突出，置炮数十尊。荷军炮火密集，射程远，封锁了周围每条通道。城内荷军尚有870人，凭借城堡继续顽抗。但是赤嵌城被明军占领之后，台湾城已是一座孤城，城内缺粮、缺水，荷军处境十分困难；加之当时南信风季节刚刚开始，要等待6个月进入北信风季节后，才能将台湾的有关情况告知巴达维亚，然后再等6个月才能利用下一次南信风季节取得巴达维亚的援助，防守更加困难。
  郑芝龙迫降赤嵌城后，为了牵制台湾城荷军，即派兵前往七鲲设伏。荷军行至七鲲时，还没来得及列阵对垒，即被明军埋伏的藤牌军冲垮，死伤过半，其余士卒狼狈退回台湾城。郑芝龙命令士兵立栅栏、设炮台，加强对七鲲的防守，同时令杨英、何廷斌以粟6000石、糖3000石补给军队。自四月初以来，双方一直进行着零星战斗。郑芝龙一方面积极准备攻城，一方面于四月十二日和二十二日，两次写信给揆一，令其投降。又调集28门大炮，于二十四日凌晨摧毁了台湾城大部分胸墙。荷军于城上集中枪炮还击，并出城抢夺明军大炮，被明军弓箭手击退。
  郑芝龙鉴于台湾城城池坚固，强攻一时难以得手，为了减少伤亡，进一步做好准备，决定采既“围困俟其自降”的方针。他一方面派遣马信率兵扎营台湾街围困荷军，一方面把各镇兵力分驻各地屯垦。同时，郑芝龙还到高山族人民聚居的四大社（新港、目加溜湾.肖垅、麻豆，均在今台南县）进行巡视，受到当地人民的热烈欢迎。五月二日，明军第二梯队6000人在黄安等将领的率领下，乘船20艘抵达台湾。明军的兵力得到加强，供给得到补充后，从五月五日开始，在所有通向城堡的街道上都筑起防栅，并挖了一条很宽的壕沟，围困荷军。郑芝龙又三次写信劝揆一投降。揆一仍幻想巴达维亚会派兵增援，拒绝投降。
  五月二十八日，荷兰殖民当局得到荷军在赤嵌城战败和台湾城被围的消息后，匆忙拼凑了700名士兵、10艘军舰，由雅科布·考乌率领，经过38天航行，于七月十八日到达台湾海面。他们见明军战船阵容雄壮，踌躇不前，加之风浪很大，在海上停留了将近一个月之后，才有5艘战船在台湾城附近海面碇泊。其中“厄克”号触礁沉没，船上士兵被明军俘虏。郑芝龙从俘虏口中得知荷兰援军兵力情况后，加紧进行围城和打援部署。
  七月二十一日，驻台湾荷军当局决定：用增援的舰船和士兵，把明军逐出台湾城市区，并击毁停泊在赤嵌城附近航道上的明军船只，以摆脱被围困境。荷军分水、陆两路向明军发起进攻。海上，荷舰企图迂回明军侧后，焚烧船只，反被明军包围。明水军隐蔽岸边，当敌舰闯入埋伏圈后，立即万炮齐发。经过一小时激战，击毁荷舰两艘，俘获小艇三艘，使荷兰援军损失了一个艇长，一个尉官，一个护旗军曹和128名士兵，另有一些人负伤。荷军其余舰船逃往巴达维亚。陆上，荷军的进攻同样遭到失败。此后，荷军再也不敢轻易与明军交战。
  台湾城的荷军被围数月，军粮得不到补给，因而士气低落，不愿再战。十月，揆一为了挽救行将灭亡的命运，写信给熊文灿，表示只要明军退兵，就愿意献上降表，臣服大明。揆一的使者到福建后，熊文灿要求荷兰人先将自己的家属送到福建，表达自己归降的诚意，然后再解荷军之围。揆一无可奈何，只好派雅科布·考乌率领漂泊在海上的3艘战舰、2只小艇前去攻袭厦门。考乌心存畏惧，中途转舵驶往暹罗（今泰国），以后又逃回巴达维亚。于是，荷军勾所有企图落空了，士气更加低落，不少士兵力求活命，陆续向明军投降，郑芝龙为了继续打击荷军的士气，命令所有投降的荷兰人必须站在台湾城外劝降荷军。
  郑芝龙从俘虏中了解到荷军的困境后，决定把对荷军的封锁战术转为进攻，在对方从巴达维亚和中国大陆获得救兵之前，向热兰遮城堡的荷军发起猛烈攻击。为此，明军增建了三座炮台，挖了许多壕沟，以遏制荷军的炮台。
  崇祯三年年农历一月二十五日清晨，郑芝龙下令炮轰乌特利支圆堡。在两个小时内，明军发射炮弹2500发，在该堡南部打开了一个缺口，当天即占领了该堡。明军居高临下立即利用此堡改建炮台，向台湾城猛烈轰击。荷军团守孤城岌岌可危，揆一在城上督战，看到城防已被突破，手足无措。在这种情况下，郑芝龙派通事李仲入城劝降。李仲对揆一说：“此地非尔所有，乃我军练兵之所。今藩主前来，是复其故土。此处离尔国遥远，安能久乎？藩主动柔远之念，不忍加害，开尔一面：凡仓库不许擅用；其余尔等珍宝珠银私积，悉听载归。如若执迷不悟，明日环山海，悉有油薪磺柴积垒齐攻。船毁城破，悔之莫及。”荷兰殖民评议会召开紧急会议，讨论形势及对策。台湾城被围已近9个月，荷军死伤1600余人，能参加战斗的士兵仅剩600百余人，且已弹尽粮绝，疾疫流行，形势已完全绝望。评议会认为：“如果继续战斗下去，可怕的命运将降临到每一个人头上，而这样坚持，对公司也没有什么好处。”揆一走投无路，只得同意由评议会出面同郑芝龙谈判。经过会谈，揆一“愿罢兵约降，请乞归国”。
  崇祯三年，荷兰驻台湾长官揆一签字投降。荷军交出了所有城堡、武器、物资，包括伤病员在内的约900名荷兰军民，最后由揆一率领，乘船撤离台湾。至此，荷兰侵略者在台湾的殖民统治宣告结束，宝岛台湾又回到祖国的怀抱。
  按照郑芝龙和刘香的约定，荷兰人里面的技术人才归郑芝龙外，其他的人员都被刘香全部带去。接管这些人质之后，刘香就让几十个荷兰人驾驶着白鹭号去印度尼西亚，要求荷兰人缴纳巨额的赎金。
  对于荷兰东印度公司来说，失去大员这个据点之后，东南亚—大员（中国）—长崎（日本）的商路中断，对中国贸易量也急遽减少，损失甚大。荷兰东印度公司数度企图恢复这条航路，因而立即从印支殖民总部派遣数十艘最新式带加农炮的战列舰赶往台湾，妄图再次打通商路。
  在收到明军将台南地区的荷兰人驱逐出去的消息之后，台北地区的西班牙驻军主动提出了将台北归还明朝的建议，但是在台湾地区练过刀的明军，毫不犹豫的拒绝了西班牙军队的请求。在郑刘联军的一顿暴打之下，西班牙人纷纷出海逃跑，至此台湾岛上再也没有任何一支外国武装势力了。收复台湾的第二天，郑芝龙就一边飞马向朝廷报捷，一边立即请求福建巡抚熊文灿，动员福建沿海的灾民迁移到台湾屯垦。
  郑芝龙收复台湾之后，建立了台湾第一个汉人政权，也带来一波汉人移民潮。在福建巡抚熊文灿的规划之下，台湾从大陆引进了明朝的各种典章制度，奠定了台湾在日后成为一个以汉民族文化为主的社会，而不仅仅是另一个海外华埠。因此后世有学者形容此役“决定台湾以后四百年命运”。
  南海海面上，由印度尼西亚方向行驶而来的荷兰舰队，正在急速而来。荷兰海军方面主力战舰共十一艘（jacht，bredam，weiringen，defluytwarmondt，texcel，weesp，couckercke，catwijck，zeeburch，kemphaen，salm），由普特曼斯指挥，另有旗舰密德堡及一艘中国戎克船打狗号（tavcoya），此外还包括50艘海盗船。