屡立战功的张巡此时已经被朝廷任命为主客郎中，兼河南节度副使。他与睢阳太守许远一道负责守卫睢阳。许远自认军事才干不及张巡，因此推举张巡为主帅，自己负责筹集军粮等后勤之事。

　　张巡担任主帅后，首先清除了无心抵抗的将领田秀荣等人，以示与叛军势不两立的决心，同时命人加固城墙，修筑防御工事;令部将南霁云、雷万春等将城中七千守军分配于各紧要之地。

　　两个月的时间，叛军发动了多次猛烈的攻势，牺牲近两万人马，却奈睢阳城不得。无奈之下，尹子奇只得率领大军将睢阳城重重围困，黑云阵阵摧孤城，虽然叛军有所损伤，但是奈何人数众多，城内数千守军与之相比，实力悬殊依然非常巨大。

　　张巡乘势对守城士兵发表演说：“本官深受国恩，奉命守城，虽然贼军势大，结局不过一死而已，不足为惧!唯一对不住大家的是诸位如果为国捐躯、曝尸荒野，可能一时的奖赏难以匹配诸位的功勋!”众人为他的忠义所感动，纷纷表示愿与其同生共死。

　　大感士气可用，张巡立即命人杀牛宰羊，让士兵们饱食一顿，随即他亲自举着旗帜，率军出城迎战叛军，眼见主将如此勇敢，唐军更是悍不畏死、奋勇向前，此役斩杀叛军数千人，将叛军逐出城外数十里，大大振奋了唐军的士气。

　　某晚，张巡让士兵擂起战鼓，城外叛军听到鼓声，不敢怠慢，尹子奇立马整顿军队，准备迎战，叛军听到城内鼓声不绝于耳，可是直到天亮，未见有一人出城。大感诧异的尹子奇命人登上高台观望城内动静，不一会，军士回来复命，言城内寂静一片，毫无出兵的迹象。尹子奇料想城内士兵肯定也是疲惫不堪，不会再有进一步的动作。因此便让士兵们卸下盔甲回营歇息。

　　叛军的神经紧绷了一夜，得到主将的命令后，大大的松了一口气，不一会的功夫，整个营地鼾声如雷、声彻云霄。

　　便在此时，张巡率领着南霁云、雷万春等十数名将领各带着五十名骑兵从四面八方杀奔叛军大营，唐军一边冲杀，一边放火，搅的整个叛军大营一片大乱。等到睡眼惺忪的叛军士兵穿戴完毕、拿起武器准备迎战唐军时，张巡等人早已全部撤入城内，叛军又被杀死数千人，气的尹子奇是暴跳如雷、哇哇直叫。

　　麾下将领南霁云是个神箭手，百步之内，基本百发百中。张巡想充分利用这点，伺机射杀叛军主将尹子琦。不过尹子奇也绝非庸才，寻常都是和其一样打扮的亲随一起出没，因此让有心下手的南霁云无法分辨。

　　不过这难不倒张巡，他让人将野蒿削成弓箭，射入敌阵，捡到这根特制弓箭的士兵判断城内弓箭已经耗尽，急忙来到主将尹子琦身旁，将这一重大军情汇报于他。早在城上埋伏多时的南霁云终于发现了尹子奇的行踪，机不可失，他立刻张弓搭箭，只闻“嗖”的一声，直中尹子奇的左眼，疼痛万分的尹子琦立刻从马上滚落在地，叛军阵营乱作一片。事不宜迟，张巡立刻点齐兵马，出城冲杀，无人指挥的叛军又吃了个大败仗，损兵折将数千人。

　　失去一目的尹子琦恼羞成怒，命令叛军猛烈攻城。此时城内的守军经过连番的血战，减员非常严重，仅仅剩下二千余人。粮草已经全部耗尽，士兵们只得以树皮、茶叶、野菜等物充饥，体力下降的非常厉害。

　　城外叛军损兵折将可以很快得到补充，粮草供应更是非常充足。而守军减员之后压根得不到补充，附近唐军无人来救;在这种非常不利的情况下，张巡命人建造各种守城的器械工具，用以弥补人数的不足。叛军为了攻下睢阳，使用了云梯、钩车、木驴等各种攻城器具，均被张巡从容化解。无计可施之下，叛军只得在城外挖壕沟、立栅栏，以阻止守军出城偷袭。