1841年10月8日，攻陷定海的英军又在黄牛礁附近集合，9日，英舰进入蛟门停泊在甬江口外，准备进攻镇海。英军计划以海军进攻江北岸的招宝山，以陆军进攻南岸的金鸡山。“威里士厘”号在招宝山正北停泊，“伯兰汉”号停泊在“威里士厘”号的东面，“布郎底”号停泊在“威里士厘”号的西南，“摩底士底”号停泊在“布郎底”号的西南。这4艘军舰尽量靠近岸边的中国军队阵地。“巡洋”号、“哥伦拜恩”号“班廷克”号尽量靠近港口停泊，掩护陆战队从南岸登陆。“西索斯梯斯”号和“皇后”号作为机动船，左右游击，向中国军营、炮位投弹，“皇后”号主要是向招宝山守军投弹。“复仇神”号和“弗莱吉森”号负责运载士兵登陆，在士兵登陆后，再前往支援“皇后”号。英军的登陆部分分为3个纵队：
左纵队由陆军少将郭富指挥，由马德拉斯炮兵的一部分、皇家炮兵的一部分、工兵、英军第五十五团、英军第十八团、来福枪手及印度辎（zī）重兵组成，共计1100余人。配备有4门山炮、两门口径为5寸半的迫击炮。
中央纵队由陆军中校马利斯指挥，由皇家炮兵一部分、马德拉斯炮兵一部分、马德拉斯工兵一部分、英军第四十九团及印度辎重兵组成，共计500余人。配备两门可放12磅重弹的榴弹炮、两门可放9磅重弹的野山炮。右纵队由荷伯特船长指挥，由皇家炮兵一部分、马德拉斯炮兵一部分、海员营、皇家水兵、马德拉斯工兵一部分和印度辎重兵组成，共计790多人。配备两门口径为5寸半的迫击炮。
10月10日早晨，英军开始进攻。“威里士厘”号、“伯兰汉”号、“布郎底”号、“摩底士底”号一起向招宝山轰击，裕谦亲自到镇海城墙上督战。驻守招宝山的浙江提督余步云被炮声吓得胆颤心惊，竟然丢下士兵，逃回县城。余步云以保存镇海城内数万生灵为借口，请求派外委陈志刚前往英舰求和，被裕谦坚决拒绝。裕廉指责说，求和有伤国家尊严，而且只能平安一时。余步云走又复回，向裕谦说道：我一个战死是理所应当的，但家中还有妻子儿女30余口，很是可怜，再次建议裕谦屈服投降。裕谦郑重表示，国家大事不能以儿女情长代替，回绝了余步云。上午11时左右，招宝山炮垒被英舰猛烈的炮火毁坏，防御工事也被夷为废墟。在西北海塘，英军右纵队开始登陆。看见英军登陆，余步云丢弃阵地，首先逃跑，他的部下也跟着逃跑，山下守军大溃。裕谦在城墙上鸣炮制止，但溃兵绕到山后，纷纷随着余步云逃命了。英军登陆后，沿仙人洞登山，攻打炮台。山上的守军组织反击，一名旗手高举大旗拼死抵抗，敌人的炮弹把他身后的房屋打塌了，这名士兵被埋在废墟之中。正在守军抵抗时，山上的火药库发生爆炸，守军四散逃开，英军乘势占领招宝山。
清晨，与英舰炮轰招宝山阵地同时，英舰“复仇神“号运载中央纵队400余人，由“巡洋”号掩护，在甬江南岸登陆，正面进攻金鸡山。“弗莱吉森”号运载左纵队1000余人在笠山登陆，抄袭金鸡山的后路。余步云竟不下令招宝山守军开炮，至使金鸡山被敌人前后夹击，处境十分艰难，谢朝恩在率兵救护金鸡山炮台时，被敌人的炮火轰中，掉进大海，但全部守军仍然奋勇抵抗，多次与敌人短兵撕杀，战斗进行得非常激烈。敌人越聚越多，数百名守军被逼入江中，敌人用排枪向江中射击，守军的鲜血把江水都染红了。终因寡不敌众，金鸡山也失守了。这时城外的火攻船也随潮飘散，无影无踪了。
裕谦带领兵将守卫镇海县城。英军占领招宝山后，在威远炮台俯轰镇海城，掩护右纵队攻城。英军在荷兰特的指挥下，在城东从两处地方攀梯登城，城内的守军被大炮杀伤许多，已经溃不成军，英军在登城时没遇到什么抵抗。守城军队从西门逃出，裕谦见镇海城已破，投泮（pàn）池殉国，被亲兵救起，装入轿中，抢救出城，到余姚，气绝身亡。
裕谦早已发誓与镇海城共存亡，在英军攻陷厦门后，裕谦知道侵略者必然北侵。为了激励将士报国杀敌的雄心，他选择吉日在关帝、天后的神像前誓师。提出不敢以退守为借口，离开镇海城一步；也不敢以保存老百姓为借口，接受英军的劝降书。如果有不尽力守卫城池的人，一定严惩不贷，军法处治。可是余步云假称腿有伤病，在祭祀时拒不行礼。裕谦已经明白余步云首鼠两端，心有二意了。裕谦此时心情很抑郁，对镇海城的前途感到十分渺茫，他开始安排后事。裕谦把硃批上谕及奏稿等文件寄回嘉兴行馆，对家务事也一一安排好。裕谦想以身作则，冒之死地而后生。但镇海城终究失守，裕谦履行了与城共存亡的诺言，投水殉国。
在英军攻城之时，镇海城的大小官吏，兵丁将领纷纷逃亡。镇海县丞李向阳却独坐在官衙中，他身穿官朝，默然无语，作好殉城的准备。城破以后，李向阳在署中自缢。
在镇海之战中，清军死伤数百人，英军死16人，伤数人，镇海的防御工事比定海要牢固，定海作为一个孤岛尚且能守卫6昼夜，而镇海却在半天时间被攻陷，这其中重要的原因就是余步云贪生怕死，临阵脱逃。
裕谦很不信任余步云。在初到镇海时，裕谦看到余步云不积极组织抵抗。认为难以作为左膀右臂但又没有立即撤换余步云。余步云也自恃有过武功，看不起裕谦。镇海的防务主要依靠金鸡、招宝两座山，若两山失守、镇海也就难保。在两山之中，又以金鸡山最为险要。但是裕谦却派身率精兵的余步云驻守招宝山下，不敢对余步云委以重任。裕谦曾经对幕僚说道：镇海的防守所能凭借依靠的力量只有1000徐州兵。这更是裕谦不放心余步云的最好证明。
在对待英国侵略者的态度上，裕谦和余步云的主张截然相反。裕谦主张坚决抵抗，对侵略者恨不能食其肉，寝其皮，抗敌的决心非常坚定。余步云则贪生怕死，畏惧英军，主张妥协投降，甚至在英军大兵临境时，还主张退缩求和。余步云的对敌态度在交战中的反映就是丢弃阵地，望风逃跑。
裕谦设防上的漏洞也是镇海这么短的时间就失守的原因之一。英军在攻打镇海时，对镇海的平民进行惨暴屠杀。他们在人口稠密的近郊连续轰击两个多小时，许多老百姓被炸伤炸死。有一颗炮弹竟在同时炸死4个小孩，孩子们的父亲痛不欲生，要跳水自杀。大街上，见不到完整的房屋，到处燃烧着大火，空气中充满浓烟。英军在镇海大肆掠夺，侵略者把镇海铸炮所中收集的两百吨钢抢掠到运输船上，由“布郎底”号和小型船只运到江中。英国在镇海实行残暴的殖民地统治。到12月，才开启小西城门，允许人们出入作买卖；但还规定床、椅、桌、柜等类物件，各种木料木板木头及柴盐油麦五谷、砖瓦灰炭铁铜等，全都禁止出城。