鎮南軍副将張舟随即指揮陸軍部隊發起攻擊，排起陣型向城牆推進，沒想到吳哥軍準備了一些抛石機，向唐軍發射過來一些石頭，造成一些唐軍的傷亡。唐軍的戰船重新開始炮擊，但是擡高了炮口，重點往城内炮擊。
張舟命令部隊加快進攻速度，唐軍蜂擁沖向城牆坍塌處，那裡已經補充上來一批吳哥軍，雙方在缺口處激烈交戰。經過一段時間對戰，唐軍展現出強大的戰力，在唐軍的火力打擊下，缺口處的吳哥軍損失慘重，被迫向城内撤退。
唐軍從缺口處持續往城内攻，有的吳哥軍還依托城内的建築，繼續抵抗唐軍，給唐軍帶來一些困擾，唐軍隻能逐個區域進行清理，緩慢向城内推進。
随着進入城内的唐軍越來越多，大量的吳哥軍被消滅，吳哥軍的抵抗意志逐漸崩潰，開始放棄抵抗紛紛投降。唐軍攻入城内約三個時辰後，西貢城主将率領守軍全部投降，唐軍終于占領西貢城。
在唐軍進攻西貢城時，羅夷關和城北方向先後有兩支吳哥軍過來增援，被阻援的襄人部隊擋在外圍，始終無法支援城内的吳哥軍。
唐軍占領西貢城後，經過短暫的休整，唐軍開始掉頭進攻羅夷關，羅夷關的吳哥軍被唐軍從後方進攻，徹底失去了險關的優勢，隻能依托一些民房和樹木進行阻擊。在唐軍優勢的火力打擊下，守軍逐漸潰散，放棄關口向北逃往吳哥腹地。
唐軍并不追趕，而是掉頭向南，開始對頭頓城展開進攻。頭頓城位于海邊的突出部，在陸軍部隊封鎖頭頓的陸上通路後，海軍炮火開始進攻。
經過幾輪炮火的打擊後，頭頓守軍支撐不住，陸上逃跑的通路又被封死，隻能打起白旗投降。僅僅兩三天的功夫，唐軍就先後南下吳哥國三個要地，徹底撕破了吳哥軍的防禦體系。
鎮南軍在西貢城休整了幾天，拿出吳哥府庫的财物犒賞唐軍，而後又補充了一些軍糧物資。王之孝考慮到西貢城地理位置優越，是一個重要的城市，決定在此地留下一個駱瓯團，與吳哥的降臣組成一個臨時政府，在當地進行管理。
鎮南軍繼續南下，沿途的幾個小城望風而降，一直打到湄公河出海口附近的芹苴城。由于整個吳哥王國基本上是沿着湄公河建立，非常重視芹苴城的防守，在這裡派了三萬人防守。芹苴城位于湄公河西岸，非常方便唐朝水軍的炮火發揮，經過兩天的水陸夾攻，芹苴城也最終陷落。
芹苴城丢失以後，吳哥王國門戶大開，鎮南軍溯河而上，開始進入吳哥王國的腹地。沿途的各個城鎮根本無法抵擋唐軍的進攻，紛紛陷落，吳哥軍不斷後退。
數日後，唐軍到達吳哥的中部大城金邊城，吳哥軍已經退無可退，在這裡收攏潰兵，聚集了四萬人在這裡防守。普通的城鎮有河流作為天塹本是優勢，但是在唐朝強大水軍面前，臨河反而是劣勢。
經過唐軍水軍炮火的持續打擊，吳哥守軍覺得很難守住此處，與其死耗，不如退往内地，尋找其他合适的地形阻擋唐軍，于是趁夜沿着洞裡薩河向北撤退。
經過兩三天的攻擊，唐軍又順利進占金邊城，唐軍上下志得意滿，覺得吳哥國将和林邑國一樣，唾手可得。王之孝在金邊城留下一個僚越團，鞏固對當地的占領，率軍繼續向吳哥内地進攻。