大體上粉碎了敵人的野戰軍之後，就可以進行攻城戰了。攻城戰的戰法，在軍隊不擁有有效的攻城武器的情況下，一般是用多架雲梯強行登城；或者衝撞城門；或者在敵城下強行構築土堆，直到土堆跟城齊平，然後士兵蜂擁登城。這些是《孫子兵法》上講述的攻城法。這些攻城法效率很低，而且士兵傷亡大。
如果擁有完善的攻城武器，那麼攻城戰將是對守城部隊巨大的考驗。一般的攻城武器有如下幾類：
衝車：最簡單的是在車上設置吊架，吊著一根首部包鐵或銅的木頭，以士兵來回推動，衝撞敵城城門或城牆。比較完善的形式是在車上設置人字形屋頂，防止上方矢石的撞擊。
攻城塔：在前麵有吊梯，可以回避較窄的護城河，直接讓士兵登城。馬其頓曾經製造過50米高的攻城塔。
拋石機：最早出現於亞述軍隊中，其作用原理，有西方式的利用毛發絞力或者利用重物的杠杆式拋石機，以及中國式的多人拽拉式杠杆式拋石機。就性能而論，當以重物杠杆式為最好。所以元朝引入了這種拋石機，稱為回回炮。
弩炮：有的弩炮跟拋石機有類似之處。既可以發射矛箭，也可以發射石塊。
以上就是一般的攻城武器，比較少見的還有亞述的夾鉗，據說這種東西可以夾出城牆的石塊；還有馬其頓的撬棍吊箱，其樣式是在一個三角架上設置一根杠杆，杠杆一頭有大無蓋箱子，盛放士兵。另一端由多人拉拽，使杠杆移動，箱子就可以被吊到敵城牆上。這種武器僅馬其頓裝備過，可見它並不可靠。
守城武器除了一般的矢石、燃燒罐外，拋石機和弩炮也可以運用。著名的阿基米德同樣設計了夾鉗，據說曾經把羅馬戰艦夾出水麵再讓它落下，使之沉沒。
在裝備了完善的攻城武器以後，攻城戰就再也不是令攻方統帥害怕得要死的不得已的戰法了。相反的，對於守方來說，城市也再不是安全的了。在這種情況下，一般的攻城流程，以羅馬軍隊為例如下：
圍困戰：首先逼近敵城，然後挖掘環繞整個城市的壕溝工事體係。以斷絕敵城與外界的聯係。這種體係包括壕溝、護堤和高塔，以及護堤上的弩炮。為防止敵人使用燃燒兵器焚燒土木工事，高塔跟敵城的城牆往往保持一定距離。一般這樣的工事體係要修建內外兩重，內層麵對城內敵軍，外層麵對敵援軍可能來襲的方向。軍隊在工事內駐紮，防止敵軍突圍，如敵援軍趕到，則與之戰鬥。經過長期圍困，迫使敵人投降或攻入城內。
攻城戰：如果認為敵人的防守能力不強，或者需要趕快攻破城市，則強行攻城。這時，大量工兵挖掘伸向敵城的壕溝，工兵在護城河上遊切斷水源，使護城河幹涸。在填平若幹段護城河之後。攻城塔前進到敵城牆下；或者挖掘地道，伸展到敵城牆下，使敵城牆坍塌；或者用衝車撞擊城牆或城門。在進行這種迫近作戰時，由大量拋石機和弩炮提供掩護。也可以單純依靠拋石機集中投擲石塊，損壞敵方一段城牆後，士兵蜂擁登城。
在此過程中，守城方也會極力破壞攻城方的攻城器械，由於攻城器械主要為木製，所以經常大量使用燃燒罐，為了不使敵方攻城武器發揮效用，常常出城門突擊攻城軍，對於迫近的工程機械和地道，守方可以使用地道來陷沒、破壞之。在耶路撒冷守城戰中，以色列人就幹得不錯。
在特殊情況下，使用雲梯強行攻城，也是一種戰法。在印度亞曆山大大帝就曾經使用這種戰法，從而孤身處於險境中。
從羅馬時代的攻城戰情況來看，攻城戰對攻方是非常有利的。僅從這個事實就可以看出：任何一座進行圍攻的城市，羅馬軍隊都攻破了。而且在大多數情況下，攻方的傷亡要小於守方。羅馬攻城戰的情況，可以看攻迦太基、耶路撒冷、紐曼細阿三城的戰況。前兩個是大城市，後一個是小城市，三城的防禦戰都打得非常悲壯，就攻防過程來說，也是十分典型的。