臺灣城是荷蘭殖民者在臺灣的統治中心，城堡堅固，防御設施完整。城周長200多丈，高3丈多，分3層，下層深入地下1丈多，“城垣用糖水調灰壘磚，堅于石”。城四隅向外突出，置炮數十尊。荷軍炮火密集，射程遠，封鎖了周圍每條通道。城內荷軍尚有870人，憑借城堡繼續頑抗。但是赤嵌城被鄭軍占領之后，臺灣城已是一座孤城，城內缺糧、缺水，荷軍處境十分困難;加之當時南信風季節剛剛開始，要等待6個月進入北信風季節后，才能將臺灣的有關情況告知巴達維亞，然后再等6個月才能利用下一次南信風季節取得巴達維亞的援助，防守更加困難。

鄭成功迫降赤嵌城后，為了牽制臺灣城荷軍，即派兵前往七鯤(魚+身)設伏。荷軍行至七鯤(魚+身)時，還沒來得及列陣對壘，即被鄭軍埋伏的藤牌軍沖垮，死傷過半，其余士卒狼狽退回臺灣城。鄭成功命令士兵立柵欄、設炮臺，加強對七鯤(魚+身)的防守，同時令楊英、何廷斌以粟6000石、糖3000石補給軍隊。

自四月初以來，雙方一直進行著零星戰斗。鄭成功一方面積極準備攻城，一方面于四月十二日和二十二日，兩次寫信給揆一，令其投降。又調集28門大炮，于二十四日凌晨摧毀了臺灣城大部分胸墻。荷軍于城上集中槍炮還擊，并出城搶奪鄭軍大炮，被鄭軍弓箭手擊退。

鄭成功鑒于臺灣城城池堅固，強攻一時難以得手，為了減少傷亡，進一步做好準備，決定采既“圍困俟其自降”的方針。他一方面派遣提督馬信率兵扎營臺灣街圍困荷軍，一方面把各鎮兵力分駐各地屯墾。同時，鄭成功還到高山族人民聚居的四大社(新港、目加溜灣.肖垅、麻豆，均在今臺南縣)進行巡視，受到當地人民的熱烈歡迎。

五月二日，鄭軍第二梯隊6000人在黃安等將領的率領下，乘船20艘抵達臺灣。鄭軍的兵力得到加強，供給得到補充后，從五月五日開始，在所有通向城堡的街道上都筑起防柵，并挖了一條很寬的壕溝，圍困荷軍。鄭成功又三次寫信勸揆一投降。揆一仍幻想巴達維亞會派兵增援，拒絕投降。

五月二十八日，荷蘭殖民當局得到荷軍在赤嵌城戰敗和臺灣城被圍的消息后，匆忙拼湊了700名士兵、10艘軍艦，由雅科布·考烏率領，經過38天航行，于七月十八日到達臺灣海面。他們見鄭軍戰船陣容雄壯，躊躇不前，加之風浪很大，在海上停留了將近一個月之后，才有5艘戰船在臺灣城附近海面碇泊。其中“厄克”號觸礁沉沒，船上士兵被鄭軍俘虜。鄭成功從俘虜口中得知荷蘭援軍兵力情況后，加緊進行圍城和打援部署。

七月二十一日，駐臺灣荷軍當局決定：用增援的艦船和士兵，把鄭軍逐出臺灣城市區，并擊毀停泊在赤嵌城附近航道上的鄭軍船只，以擺脫被圍困境。荷軍分水、陸兩路向鄭軍發起進攻。海上，荷艦企圖迂回鄭軍側后，焚燒船只，反被鄭軍包圍。鄭水軍隱蔽岸邊，當敵艦闖入埋伏圈后，立即萬炮齊發。經過一小時激戰，擊毀荷艦兩艘，俘獲小艇三艘，使荷蘭援軍損失了一個艇長，一個尉官，一個護旗軍曹和128名士兵，另有一些人負傷。荷軍其余艦船逃往巴達維亞。陸上，荷軍的進攻同樣遭到失敗。此后，荷軍再也不敢輕易與鄭軍交戰。

臺灣城的荷軍被圍數月，軍糧得不到補給，因而士氣低落，不愿再戰。十月，揆一為了挽救行將滅亡的命運，企圖與清軍勾結，夾擊鄭成功軍。揆一的使者到福建后，清軍要求荷蘭人先派戰艦幫助他們攻打廈門，然后再解荷軍之圍，揆一無可奈何，只好派雅科布·考烏率領漂泊在海上的3艘戰艦、2只小艇前去攻襲廈門。考烏心存畏懼，中途轉舵駛往暹羅(今泰國)，以后又逃回巴達維亞。于是，荷軍勾結清軍夾擊鄭軍的企圖完全落空了，士氣更加低落，不少士兵力求活命，陸續向鄭軍投降。

鄭成功從俘虜中了解到荷軍的上述情況后，決定把對荷軍的封鎖戰術轉為進攻，在對方從巴達維亞和中國大陸獲得救兵之前，向熱蘭遮城堡的荷軍發起猛烈攻擊。為此，鄭軍增建了三座炮臺，挖了許多壕溝，以遏制荷軍的炮臺。

1662年農歷一月二十五日清晨，鄭成功下令炮轟烏特利支圓堡。在兩個小時內，鄭軍發射炮彈2500發，在該堡南部打開了一個缺口，當天即占領了該堡。鄭軍居高臨下，立即利用此堡改建炮臺，向臺灣城猛烈轟擊。荷軍團守孤城，岌岌可危，揆一在城上督戰，看到城防已被突破，手足無措。在這種情況下，鄭成功派通事李仲入城勸降。李仲對揆一說：“此地非爾所有，乃前太師練兵之所。今藩主前來，是復其故土。此處離爾國遙遠，安能久乎？藩主動柔遠之念，不忍加害，開爾一面：凡倉庫不許擅用;其余爾等珍寶珠銀私積，悉聽載歸。如若執迷不悟，明日環山海，悉有油薪磺柴積壘齊攻。船毀城破，悔之莫及。”荷蘭殖民評議會召開緊急會議，討論形勢及對策。臺灣城被圍已近9個月，荷軍死傷1600余人，能參加戰斗的士兵僅剩600百余人，且已彈盡糧絕，疾疫流行，形勢已完全絕望。評議會認為：“如果繼續戰斗下去，可怕的命運將降臨到每一個人頭上，而這樣堅持，對公司也沒有什么好處。”揆一走投無路，只得同意由評議會出面同鄭成功談判。經過會談，揆一“愿罷兵約降，請乞歸國”。

1662年2月6日(順治十八年十二月十八日，即南明永歷十五年)，荷蘭駐臺灣長官揆一簽字投降。荷軍交出了所有城堡、武器、物資，包括傷病員在內的約900名荷蘭軍民，最后由揆一率領，乘船撤離臺灣。

至此，荷蘭侵略者在臺灣38年的殖民統治宣告結束，寶島臺灣又回到祖國的懷抱。

東印度公司離臺

1662年2月1日(永歷十五年十二月十三日)，揆一在投降協議書上簽字。

條約重點為：

雙方停止一切敵對行動，并忘記仇恨。 荷方將城堡、大炮、軍用物資、商品和現金交給國姓爺。 荷蘭人可攜帶一切返回巴達維亞必須使用的食物、工具等物品。 荷蘭士兵得以揚旗、鳴炮、荷槍、擊鼓、列隊上船。 國姓爺應釋放所有荷蘭俘虜。 東印度公司應釋放所有中國人俘虜。 2月9日(永歷十五年十二月二十一日)，2000名荷蘭人登上8艘荷蘭船艦，等候出航。《熱蘭遮城日志》記錄至這一天為止。

1662年2月17日，揆一率領盧斯杜南號、唐堡號、安克文號、梅頓號、泰伯特號、納爾登號、白鷺號和羅南號啟程，結束了荷蘭在臺灣38年的統治。[10]