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。但是赤嵌城被郑军占领之后，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。
郑成功迫降赤嵌城后，为了牵制台湾城荷军，即派兵前往七鲲(鱼+身)设伏。荷军行至七鲲(鱼+身)时，还没来得及列阵对垒，即被郑军埋伏的藤牌军冲垮，死伤过半，其余士卒狼狈退回台湾城。郑成功命令士兵立栅栏、设炮台，加强对七鲲(鱼+身)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。郑成功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，并出城抢夺郑军大炮，被郑军弓箭手击退。
郑成功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。他一方面派遣提督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，郑成功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，郑军第二梯队6000人在黄安等将领的率领下，乘船20艘抵达台湾。郑军的兵力得到加强，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。郑成功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。他们见郑军战船阵容雄壮，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，船上士兵被郑军俘虏。郑成功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，把郑军逐出台湾城市区，并击毁停泊在赤嵌城附近航道上的郑军船只，以摆脱被围困境。荷军分水、陆两路向郑军发起进攻。海上，荷舰企图迂回郑军侧后，焚烧船只，反被郑军包围。郑水军隐蔽岸边，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郑军交战。
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，企图与清军勾结，夹击郑成功军。揆一的使者到福建后，清军要求荷兰人先派战舰帮助他们攻打厦门，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，荷军勾结清军夹击郑军的企图完全落空了，士气更加低落，不少士兵力求活命，陆续向郑军投降。
郑成功从俘虏中了解到荷军的上述情况后，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，郑军增建了三座炮台，挖了许多壕沟，以遏制荷军的炮台。
1662年农历一月二十五日清晨，郑成功下令炮轰乌特利支圆堡。在两个小时内，郑军发射炮弹2500发，在该堡南部打开了一个缺口，当天即占领了该堡。郑军居高临下，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，郑成功派通事李仲入城劝降。李仲对揆一说：“此地非尔所有，乃前太师练兵之所。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成功谈判。经过会谈，揆一“愿罢兵约降，请乞归国”。
1662年2月6日(顺治十八年十二月十八日，即南明永历十五年)，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38年的殖民统治宣告结束，宝岛台湾又回到祖国的怀抱。
东印度公司离台
1662年2月1日(永历十五年十二月十三日)，揆一在投降协议书上签字。
条约重点为：
双方停止一切敌对行动，并忘记仇恨。 荷方将城堡、大炮、军用物资、商品和现金交给国姓爷。 荷兰人可携带一切返回巴达维亚必须使用的食物、工具等物品。 荷兰士兵得以扬旗、鸣炮、荷枪、击鼓、列队上船。 国姓爷应释放所有荷兰俘虏。 东印度公司应释放所有中国人俘虏。 2月9日(永历十五年十二月二十一日)，2000名荷兰人登上8艘荷兰船舰，等候出航。《热兰遮城日志》记录至这一天为止。
1662年2月17日，揆一率领卢斯杜南号、唐堡号、安克文号、梅顿号、泰伯特号、纳尔登号、白鹭号和罗南号启程，结束了荷兰在台湾38年的统治。[10]