郎束手无策，把藩军全部撤回城内，准备与城共存亡。
他曾对奇兵队寄予厚望，扩编的奇兵队达到一万多人。队伍纷繁杂乱，不下几十种之多，名称亦五花八门，如“农民队”、“力士队”、“先锋队”、“八幡队”、“集义队”、“义勇队”、“荻野队”和“游击队”等，少则三五十人，多则三五百人。
藩军接连战败，奇兵队也难以为继，纷纷作鸟兽散。山口城是座新修的城堡，位于山地，纯粹为了军事防御而修建，本身容量有限。
大村益次郎把藩军撤回城内，试图凭险据守。藩军主要由八组军队和藩主直属军队组成。八组军队皆为八位家老的私兵，由于家老们在战降问题上意见不一，八组军队内部已然不稳。
大村益次郎打算把三组军队撤到城外防御。这三组军队，皆为主张投降的家老的军队。但家老的地位高于大村益次郎，大村益次郎调不动他们，只得向毛利敬亲求助。
毛利敬亲已经抱着必死之心，担心三组军队会趁机投降联军，觉得自己还有威望罩住藩军，拒绝了大村益次郎的建议。
14时，最后通牒时间已到，毛利敬亲拒绝投降。联军开始攻城，首先使用火炮轰击城墙。
山口城的城墙并不牢固，虽然地处山地，却并未用条石修葺城墙。因为石质城墙费用高昂，且重量较重，易受地震破坏。日本的建筑大多使用木质，一是造价便宜，再就是可以减轻地震带来的灾害。
联军的火炮轰击了一个小时，在山口城墙上打开了一段百米长的缺口。紧接着，幕府军、革命军和法军，相继冲入城内，与长州藩军展开巷战。
藩军退无可退，表现两极分化。一部分军队视死如归，包括尊王攘夷派武士、毛利氏的直属军、五组家老军队，都与联军血战到底。
但因为双方实力悬殊，这部分军队官兵大部分战死，甚至还有自杀者。大村益次郎、桂小五郎等攘夷派武士大多战死。毛利敬亲切腹自杀。
还有三个家老主张投降，所属部队态度消极。有一组军队开后门逃走，剩下两组军队干脆投降。
毛利敬亲死后，以益田右卫门为首的三位家老，拥立毛利敬亲的儿子毛利元德为新任藩主。新藩主第一道命令，便是命令藩军放弃抵抗，向联军无条件投降。.
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