由于外围作战的失败，政府军对熊本城的合围也因此而打破，野津道贯冷静判断了局势之后，下令继续强攻熊本城。
从当时的兵力对比看，熊本一带的政府军至少比城内的萨摩军多四至五倍，居于绝对优势。如果日本政府军与俄军密切配合，实行分割包围的战术，有可能将分兵把守熊本城内外的萨摩军各个歼灭。但由于野津道贯一心想要由政府军拿下萨摩军最后的堡垒熊本，以致丧失了有利战机。
9月2日，由永山弥一郎率领4800人，从长崎乘船前来增援熊本。政府军赶来截击。野津镇雄亲自督战，所部政府军杀伤萨摩军1000余人，夺得大炮两门，令一路政府军绕到侧后进攻，永山军两面作战，表现极为英勇。7日，政府军一再增援，永山军于血战七昼夜后失利，全军溃散，永山弥一郎见事不济，掏钱买下了一间民房，自焚于其中。桐野利秋在得知永山死信之后慨叹：“我军丧失了一员无可替代的勇将。”永山弥一郎是在讨论起事问题时最反对举兵的人之一，而他的死，却并不见得比曾斥责他为“胆小鬼”的筱原国干，来得懦弱半分。
尽管战局不利，但萨摩军诸将依然率军英勇奋战，为了防止切断长崎与熊本间的陆上通路，贵岛清率领一队萨摩军出城，与14日起与政府军大战，击毙政府军甚多。左路中岛健彦部与边见十郎太部，于15日抵达海岸一带，掩护民众上船撤离。为了防止政府军来袭，萨摩军在此处修筑了一座临时炮台，集中了带出来的所有大炮，派阿多壮五郎率1000余人防守，熊本守军则下降到了33000人，而政府军集结的攻城部队则达到了约60000人。
政府军从17日起，为打通进入熊本城的通路，连续四天猛攻熊本东门，并以80门大炮支持，势在必得，结果被筱原国干所部逐次击退。21日，政府军再度集结猛攻，并由俄军出动哥萨克马队千余人包抄，血战近五小时，终因城门内棉花仓库起火，东门陷于敌手，筱原国干率军退守堤头。此役萨摩军监军伊东直二阵亡，筱原国干所部伤亡3000余人，守卫东门的萨摩军官兵几乎全数阵亡于阵地之上。政府军伤亡近5000余人，道路上叠尸重重，人马几不能行进。
政府军进攻东门时，亦分别攻击光明寺、有马台、胜古神社一带，分别遭别府晋介、西乡小兵卫部击退。22日，林逸青又率奇兵队在南门击退了政府军的进攻。至此，萨摩军已与政府军血战12日，据外人记载：“萨兵虽少，皆拼死向敌而战，最可畏者，林逸青所部奇兵队耳；盖林军有进无退，每为各军之先，虽受枪炮，前者毙，后者又进，其猛处诚有非他军所可比拟者。”
23日，政府军援军 21000余人在山县有朋的率领下进抵熊本。野津道贯随即召开军事会议，决定继续强攻熊本。会中将熊本战区重新分配，野津道贯军负责熊本西、北、南三面，以南面为主；山县有朋军负责东面，并阻止长崎方向前来的萨摩军援军。
25日至28日，桐野利秋亲率所部轮番与日本政府军大战，政府军不敌，伤亡惨重，被迫后退，桐野利秋一度收复了东门。同时，野村忍介亦率军击退进攻北门的政府军，并一度夺回外围的阵地。萨摩军前锋河野主一郎所部在艳坂与政府军苦战，连续八昼夜，彼此伤亡均极为惨重。后路村田新八率炮兵四面游击，增援各部，对政府军杀伤甚重。桐野利秋和林逸青分派各军在巷隘严防。此时虽然经过连日激战，熊本守军伤亡很大，但士气仍然高涨。
但此时，在野津道贯的一再申请下，又有14000人的政府军（随带火炮69门）进抵熊本，这时进抵熊本城下的政府军总数已经接近了80000人。29日拂晓，政府军于光明寺南路修筑炮台，三面猛攻萨摩军阵地。次日，又以巨型臼炮再攻，萨摩军以75毫米炮12门，120毫米炮6门还击，双方炮战正酣之际，林逸青率奇兵队300人趁机冲入政府军炮兵阵地，击毙政府军511人，炸毁重炮3门。山县有朋得知林逸青现身，立刻命令山川浩大佐率拔刀队前去截杀林逸青，但山川浩到达时，林逸青已然率部下退走，只留下一地的死尸和毁坏的火炮。
10月1日，政府军援军12000人重新发动进攻，并在城门外架炮向城内轰击。林逸青再次亲自率兵夜袭，政府军撤退。第二天，山县有朋不顾伤亡又一次发动进攻，又被击退。
10月3日，政府军兵分三路大举进攻，筱原国干亲至阵前督战，政府军集中炮火猛轰，萨摩军炮兵因连日激战，弹药不足，炮火很快被政府军压制，阵线动摇，筱原国干身着黑色军服，披红披风，手执战刀，骑于马上，往来奔驰指挥，山川浩认出了筱原国干，通知了山县有朋，山县有朋下令向筱原国干所在的方向射击，政府军枪炮齐射，一时间弹如雨下，筱原国干身中三弹，犹奋力砍杀敌兵，死战不退，左右劝其暂避，筱原国干言曰：“此致命遂志之日也，虽及死不得退此一步。”，未几，乱枪射来，筱原国干一时间遍体鳞伤，衣袍尽赤，犹奋臂指挥督战，最后飞弹洞胸，坠于马下，殁于阵中。同时殉难者尚有越山休藏、松谷英孝等武士首领。不过萨摩军并未因丧失身为实际前敌指挥的筱原国干而受挫败，依然奋勇冲杀，取得了此次战役的胜利。亲历此战役，作为萨摩军同盟的熊本武士首领池边吉十郎有诗：“君不见熊本之险险于城，突兀摩空路峥嵘。烟笼高濑川边水，风卷三岳峰上旌。一朝传警笑相待，忽闻千军万马声。硝烟为云弹为雨，壮士一命鸿毛轻。呐喊声和巨炮响，山叫谷吼乾坤轰，炮声绝处松声寂，一轮皎月照阵营。” 就是这次激战的真实写照。
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