七月一日，帖木兒指揮大軍開始輪番進攻庭州城。
頭三天，他隻利用一萬多被俘的安南人和回鶻人組成炮灰軍，進行攻城，試探守軍火力虛實，同時借以消耗明軍為數不多的彈藥。
接下來三天，他又派四萬瓦刺軍充當優質炮灰，輪流攻城。
七月八日，他又突然換上一萬五千名土庫曼精銳步兵在三百門駝炮的掩護下攻擊庭州城。
帖木兒軍的駝炮雖多，但是並不適合仰攻庭州城，火力雖然撲天卻不能蓋地，響聲驚天動地，打在庭州厚實的城牆上跟撓癢癢似的。
帖木兒軍進攻了整整一天，並沒有達到預想中的山崩地裂、摧枯拉朽效果，反而被城頭明軍殺傷四千多人，損失大炮三十多門。郭驥這家夥仗自己的大炮精準，專門打帖木兒的炮兵。
坐守孤城庭州的郭驥日子也不好過。
戰鬥剛打響的時候，郭驥手下隻剩下三營老兵，這是守城的核心兵力。加上臨時招募的六營新兵和仆固義率領的三千部落義軍，總共才七千多人，還不如帖木兒大軍的一個零頭多。
經過七、八天的連續作戰，三營老兵剩下不到一千人，臨時招募的三千新兵和三千義軍，總共剩下不到四千人，迫擊炮彈已經消耗殆儘。
郭驥不得不緊急將三千安南俘虜武裝起來，參與守城。
帖木兒軍隊的大炮雖然精度並不高，但是聲勢嚇人，震耳欲聾的炮聲，連綿不絕，給城內軍民以巨大的心理壓力。
失敗情緒迅速籠罩全城，不停有人向郭驥報告令人沮喪的消息
“將軍，新招募的新兵營軍心不穩，有兩百多人不願意參與守城。”
“將軍，新招募的胡騎義軍有一百多人出城投降了。”
“將軍，城內的安南俘虜嚷著要回安南。”
“……”
次日，帖木兒通過城內的奸細知道了城內的消息後，果斷改變了策略，讓傀儡大汗鄂嫩代表自己入城和郭驥談判，折箭為誓，答應明軍隻要投降，就可以保全城內五萬軍民的性命，還可以保全蒙古和回鶻各部的財產。
蒙古人一向以信守承諾著稱，折箭為誓是比較莊重的承諾。
城內一些蒙古和回鶻首領聽說後，態度進一步發生了動搖，力勸郭驥答應帖木兒的條件。
“定遠侯，朝廷到現在還沒有派來援軍，已經忘記我們了。”
“定遠侯，帖木兒傾國來犯，我們再抵抗下去，無異以卵擊石，毫無意義。”
“定遠侯，求求你給我們部落留下點種子吧……”
七月十日，在城內各部落首領的壓力下，大明定遠侯郭驥被迫出城，前往蒙古大營，代表明軍和鄂嫩繼續談判。
郭驥提出，再給城內明軍半個月時間商量投降事宜。他還是企圖通過談判，儘量拖延帖木兒發動總攻的時間，等到朝廷或者遼東派來援軍。
帖木兒是誰？那是閱人無數的老狐狸一隻。
他一眼就看穿了郭驥的意圖，唆使鄂嫩扣留了郭驥，然後趁機再次發動了對庭州城的強攻。
此時庭州城內群龍無首，城內三千安南兵趁機反水，打開城門放帖木兒軍入城。
兩千蒙古和回鶻義軍殘部見大勢已去，也先後投降。
隨著帖木兒潮水般地湧入內城，兩千漢軍新兵一半被殺，一半投降。天山衛指揮同知陳遠慶指揮最後的八百老兵，和帖木兒軍展開激烈巷戰，殺敵三千餘後，全部壯烈殉國。
忠義郡王仆固義雖然心向大明，卻無力回天，隻好拔刀自刎。
帖木兒雖然最終成功拿下了庭州城，但是也付出了極其慘重的代價，精銳步兵和瓦刺騎兵前後死傷近兩萬人，如果加上攻取迪化、哈密的損失，他已經損失了近兩萬嫡係人馬和兩萬瓦刺騎兵。