随后郑军在台江海域与荷兰军舰展开海战，击沉荷军舰赫克特号，取得台江内海控制权，并同时在北线尾地区击败荷兰陆军，以优势兵力包围普罗民遮城。不久，于四月初五即迫使普罗民遮城守军出降。在取得普罗民遮城做为据点之后，郑军随即由海、陆两面围困热兰遮城。由于考虑到两万大军的粮饷调度不易，郑成功并没有做持久战的打算，一开始即对热兰遮城施压，试图胁迫荷兰军队投降。
遭荷兰大员长官揆一拒绝其投降要求之后，郑成功一度下令强攻热兰遮城。由于强攻不下，加之大军粮食短缺，使得郑成功被迫改变策略，派出大部分的军队至南北各地屯田、征收钱粮，以解大军乏粮的燃眉之急，对热兰遮城改采长期包围的战略。
1661年（清顺治十八年，永历十五年）五月初五，郑成功改赤崁为“东都明京”，设承天府及天兴、万年二县。敌军守将描难丁战败投降。于是成功留部将杨朝栋守赤嵌楼，亲自率军乘胜进攻赤嵌城。然而揆一仍然企图据险顽抗，成功命令大军把赤嵌城严密包围起来，发炮向城里进攻。赤嵌城被围困了七个多月，敌军官兵死伤一千六百多人，最后荷军水源被郑军切断，揆一只好扯起白旗，宣告投降。
七月中旬，停泊于外海的荷兰援军遭遇强风侵袭，被迫离开大员海岸。八月中旬，荷、郑两军于台江内海展开激烈海战，郑军大获全胜，击沉一艘荷兰军舰，并夺取船只数艘，自此荷军丧失主动出击的能力，在十二月二十日向郑成功屈服。1662年荷兰驻台湾长官揆一签字投降，荷军交出了所有城堡、武器、物资，包括伤病员在内的约900名荷兰军民，最后由揆一率领，乘船撤离台湾。
至此，荷兰侵略者在台湾38年的殖民统治宣告结束，宝岛台湾又回到祖国的怀抱。
至于大员长官揆一则因为投降而受到审判，被软禁于班达群岛，直到1674年家人以荷盾将他赎回。1675年他出版《被遗误的台湾》一书为自己辩护。
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