右副将邹元标建议，先回师打通补给线，然后再进攻开罗。吴元济认为，目前第五路军弹药充足，主要是缺水，也缺一些粮食，此处已经距离尼罗河不远，干脆进发到尼罗河岸边，就地取水取粮。
第五路军顶着干渴，一路进发到开罗以南的尼罗河岸边，终于在那里痛饮一顿。吴元济仗着第五路军的战力，首先拿下开罗以南的小城阿玛拉，在那里夺取一些粮食，供应部队的军需。有了水，有了粮，第五路军迅速恢复元气，开始准备攻打开罗。
吴元济和几个部将商量以后认为，开罗城市较大，而且西临尼罗河，很难将其彻底包围，不如打一场击溃战，先占领城市再说。吴元济派左副将郁景斌带领3个羌戎团在城东围堵，派右副将邹元标带剩下3个羌戎团在开罗东北方向埋伏，自己则带领镇东军陆军主力在城南主攻。
吴元济认为，开罗的大食军被击溃后，有两个方式逃跑，一种是乘船从尼罗河逃跑，这个唐军没办法；一种是从城北的陆路逃跑，到时可以由邹元标率军截击一番。
开罗城市虽然大，但是城墙都是泥砖所筑，坚固性不够，而且没有护城河，防御水平一般。第五路军准备就绪以后，就在城南开始炮击，只炮击了一天，就在城南轰塌了一大段城墙。
当夜，唐军先就地宿营，准备第二天发起进攻，优素福仍不甘心失败，派出骑兵过来劫营。唐军都是身经百战，对这种套路遇的多了，早就提前派人警戒，发现有人来袭后，立即进行反击，将夜袭的大食军击退。
次日，唐军炮兵又轰击了一阵，将缺口内的障碍物全部扫平，然后唐军步兵正式发起进攻。优素福的大食军虽然勇猛，但是由于没有火器，单凭刀枪弓弩，自然不是唐军的对手，唐军顺利攻入城内。
由于开罗城比较大，而且街道狭窄，民房众多，那些大食军打不过唐军就到处躲藏。唐军由于对城市不熟，到处追击溃退的大食军，满城追赶，还经常会迷路。最后唐军干脆放弃小股的大食军，专打大股的军队，往市中心的总督府攻去。
开罗的攻防战打了两天，城内的守军败像明显，优素福感觉再不跑就来不及了，带领一些亲兵跑到尼罗河边，乘坐几十艘船，向下游逃去。总督一逃，其他守军也无心坚守，有的也乘船从尼罗河逃跑，但是大部分人直接从城北的陆路逃跑。
早就在东北方待机的邹元标，趁机率军截击大食溃军，这些溃逃的大食军被截击后，有的就地投降，有的则往西北方向沿着尼罗河