此時(shí)沂州清軍分為三部，大名鎮(zhèn)總兵史榮椿率本部及徐州鎮(zhèn)總兵興慶等部四千人駐馬莊大營(yíng)，沂州協(xié)副將郝上癢部?jī)汕耸毓⒓也痕?，德州營(yíng)參將安勇與沂州知府李維醇、蘭山知縣陳紀(jì)勛等率一千德州營(yíng)勇、一千沂州團(tuán)練兵守府城。三地兩兩相距僅五六十里，互為犄角之勢(shì)。
十四日晨，太平軍抵達(dá)蘭山北四十里太平集。王炤源與諸將佐商議后，決定以沂州府城為契機(jī)，先攻城再破敵。日中，太平軍至沂州城下。沂州城東臨沂河，北濱涑河，東南西北有鎮(zhèn)海、望淮、瞻蒙、宗岱等四門(mén)，城墻護(hù)河皆險(xiǎn)要難攻，號(hào)之“齊魯鎖鑰”。王炤源不欲強(qiáng)攻，遂令劉肇鈞右十二軍圍望淮、瞻蒙二門(mén)，任柱騎二軍于鎮(zhèn)海、宗岱二門(mén)外游弋，其余各部則扎營(yíng)于城北五里。
王炤源表面以“圍城打援”示清軍，實(shí)則令劉肇鈞暗挖地道，欲炸城墻。又令玄機(jī)營(yíng)師帥丁汝昌往嶧縣，聯(lián)絡(luò)幅軍劉平等部來(lái)會(huì)。李維醇不知其計(jì)，依仗著內(nèi)有堅(jiān)城，外有馬莊、耿家埠強(qiáng)軍支援，遂擺出一副死戰(zhàn)到底的架勢(shì)。
十五日，耿家埠郝上癢軍先來(lái)救援，至城北十里，突遭太平軍右十六、右十八、騎一軍共八千多人阻擊，郝上癢不敵，損失近千人后急退馬莊，與史榮椿等會(huì)合。史榮椿見(jiàn)郝上癢兵敗，確信太平軍欲圍城打援，再不敢援沂州城，只是發(fā)信催促援軍。前太平軍出蒙山攻沂水時(shí)，史榮椿已感南路兵力不足，上書(shū)奏請(qǐng)?jiān)姟?br/>
長(zhǎng)臻部為河標(biāo)綠營(yíng)，本常駐濟(jì)寧，北伐援軍過(guò)黃河后，清廷令河標(biāo)諸營(yíng)屯于黃河沿岸，防備太平軍再度北上。然而由燕王秦日綱所率第二北伐援軍在舒城兵敗，太平軍再無(wú)北上之力。清廷遂令長(zhǎng)臻援史榮椿，長(zhǎng)臻部有三千人，從徐州出發(fā)，經(jīng)邳州、郯城。
七月十八日，陸遐齡率八千太平軍突然襲擊馬莊清營(yíng)，汪海洋也率右十九軍趕到。清軍猝不及防，連失五座營(yíng)寨，史榮椿不敢久留，倉(cāng)惶棄營(yíng)率軍南下欲與長(zhǎng)臻會(huì)合。
陸遐齡見(jiàn)史榮椿已退，知窮寇勿追，便回軍圍沂州，至此沂州已成孤城。二十日，嶧縣幅軍趕到，扶老攜幼，連綿數(shù)里，約有三萬(wàn)人眾。如此龐大的隊(duì)伍，著實(shí)讓太平軍將士嚇了一跳，也讓王炤源等高級(jí)將佐們聯(lián)想到不久前的北伐援軍之潰。王炤源先私下召來(lái)丁汝昌詢問(wèn)，得知所召嶧蘭幅軍原只有穆柯寨劉平、云谷山劉雙印、車輞崮宋斌等三股，約五千人，然其各部于途中廣招民眾，不分老幼，至此已有三萬(wàn)之眾。
王炤源當(dāng)即召來(lái)劉平、劉雙印、宋斌等三人，好生撫慰，令其駐于耿家埠舊清軍大營(yíng)，只是不談?wù)幑俾氈?。次日凌晨，劉肇鈞所挖地道至瞻蒙門(mén)下，太平軍在地道中埋放火藥，同時(shí)數(shù)十門(mén)火炮猛轟，城墻坍塌，右十二軍等部攻入城內(nèi)，迅速占領(lǐng)沂州府衙。
卯時(shí)之后，沂州城平定，知府李維醇、縣令陳紀(jì)勛、參將安勇等被擒殺，俘獲兵勇千人。王炤源沒(méi)有急于入城，只是令劉肇鈞率右十二軍控制城池，頒布安民告示。而后調(diào)集右十六、右十八、右十九等軍秘密布防于幅軍大營(yíng)外圍，并令劉平等人協(xié)同參軍酆謀等挑選幅軍精壯，得六千人。此六千人被剖為三軍，任劉平、劉雙印、宋斌三人為軍帥。劉平軍調(diào)往平邑與袁宏謨右八軍混合，重新整編為右八正副軍，袁宏謨?yōu)榭傊疲焊檎娷妿?，劉平為副軍軍帥。劉雙印軍則與陸遐齡右十六軍就地合并，整編為右十六正副軍，其為副軍軍帥。宋斌軍與程學(xué)啟右十八軍整合，其本人為副軍軍帥。其余幅軍老幼，仍居耿家埠大營(yíng)，由太平軍供給。
二十二日正午，王炤源進(jìn)駐沂州府衙，而后立即改組將軍府，置軍事府與政事府分理軍政事務(wù)。其中軍事府以軍師劉淑愈為總領(lǐng)，龍鳳翴領(lǐng)長(zhǎng)史監(jiān)，酆謀領(lǐng)參軍監(jiān)，董乾儒領(lǐng)輜重監(jiān)，劉德培領(lǐng)軍器監(jiān)。政事府以副將軍李嵐谷為總領(lǐng)，置六部政書(shū)分領(lǐng)政務(wù)，鐘良相為吏政書(shū)，高崇善為戶政書(shū)，顏士欽為禮政書(shū)，潘合孚為刑政書(shū)，陸繼恩為工政書(shū)，另鄭永和為兵政書(shū)總管尉隊(duì)營(yíng)。
同時(shí)，敲定各地駐守將領(lǐng)，由右八正副軍總制袁宏謨率兩軍駐平邑、泉林寺，右十七軍總制任桂新駐蒙陰，右十八正副軍總制程學(xué)啟、右十九軍總制汪海洋等三軍駐河陽(yáng)，右十二軍總制劉肇鈞駐費(fèi)縣，沂州府城則駐有陸遐齡右十六正副軍、騎一軍、騎二軍等四軍。至于尉隊(duì)五營(yíng)則分別駐于沂州、平邑、費(fèi)縣、蒙陰、河陽(yáng)。此次布防調(diào)整明面上也反應(yīng)太平軍下一步戰(zhàn)略方向，程學(xué)啟、汪海洋兩員大將同時(shí)進(jìn)駐河陽(yáng)，無(wú)疑證實(shí)沂水、莒州是下一步目標(biāo)。
二十五日，蔣婉等家眷從平邑趕來(lái)，這位將軍夫人搬入了位于原沂州府衙的新家。沂州府衙十分寬闊，從外往里，除正門(mén)、儀門(mén)外，還有箴石亭、仁正堂、川堂、忠濟(jì)堂。其中仁正堂是大堂，也叫府衙正堂，忠濟(jì)堂則是府衙后堂。忠濟(jì)堂的后面是知府宅，兩進(jìn)兩出。太平軍入主沂州府，知府宅成了將軍宅，王炤源和蔣婉就在這里居住。此外府衙內(nèi)還有幾處大小不同宅子，王炤源沒(méi)有像洪天王那樣一進(jìn)城就獨(dú)霸豪宅建皇宮，而是將左側(cè)同知宅給了李嵐谷，右側(cè)通判宅給了劉淑愈一家，高崇善和高蕓則住在李嵐谷前面的推官宅，董乾儒、劉德培也將家人接了來(lái)，分別住在經(jīng)歷宅、照磨宅。司獄宅則歸在府衙入值的尉隊(duì)營(yíng)使用，其他單身的書(shū)理、從事住在吏房，諸將領(lǐng)在城中也分配有房屋。
七月底，各地基本安定下來(lái)，均田、募兵等工作也在政事府與軍事府主持下有條不紊地進(jìn)行。在此期間，清軍沒(méi)有及時(shí)反撲，不過(guò)調(diào)兵防堵還在繼續(xù)，盡管已經(jīng)被驗(yàn)證不怎么管用。東北方向，新任登州水路總兵田浩然率軍再至穆陵關(guān)。駐邳州的南路清軍除了河?xùn)|河道總督長(zhǎng)臻、大名鎮(zhèn)總兵史榮椿、署徐州鎮(zhèn)總兵興慶外，又來(lái)了江南河道總督楊以增、漕運(yùn)總督邵燦，據(jù)玄機(jī)營(yíng)報(bào)，左副都御史王履謙也率河防團(tuán)練進(jìn)駐嶧縣。
至此聚集在沂州外圍三品以上大員有三總督（長(zhǎng)臻、楊以增、邵燦）一提督（張殿元因沂州陷革職戴罪立功）五總兵（孔廣順、恒齡、經(jīng)文岱、史榮椿因沂州陷革職留任、田浩然），再加上正三品左副都御史王履謙，共有十位統(tǒng)兵大員。清兵兵員近三萬(wàn)余人，成為繼岳陽(yáng)武昌、天京揚(yáng)州、阜城高唐之外第四大戰(zhàn)場(chǎng)。
為與外圍清軍抵抗，王炤源于八月初，將右八、右十六、右十八等三支副軍整編為右十三、右十四、右十五等軍，以劉平、劉雙印、宋斌為總制，以詹德倫、陸聚奎、孫化祥為軍帥。另集中精壯建右十一軍及騎三軍，以任乾、黃隆蕓為總制，何明亮、任希成為軍帥。至此，太平軍共建右八及右十一至右十九步軍十支三萬(wàn)余人，騎軍三支八千人，尉隊(duì)五營(yíng)三千。
八月初三，經(jīng)劉淑愈、李嵐谷等勸諫，王炤源稱“指揮”，并升袁宏謨、陸遐齡、程學(xué)啟、汪海洋等四人為將軍。由袁宏謨統(tǒng)帶右八軍、右十三軍，陸遐齡統(tǒng)帶右十六軍、右十四軍，程學(xué)啟統(tǒng)帶右十八軍、右十五軍，汪海洋統(tǒng)帶右十九軍、右十一軍。其所遺原職皆由原軍帥補(bǔ)任。
其后不久，程學(xué)啟與汪海洋合作攻克沂水，新任莒州知州丁守存等退守莒州。程學(xué)啟守沂水，汪海洋回軍河陽(yáng)。初八，王炤源命李宗堂、苑文榜、李乘豐、趙魁元、趙寶善、張鎮(zhèn)邦等為平邑、費(fèi)縣、蘭山、蒙陰、沂水、河陽(yáng)等六縣縣監(jiān)處理政務(wù)，并監(jiān)各諸軍。八月下，各縣相繼完成秋收，太平軍轄境各戶均已分得田地，除田稅外雜稅皆被取締，戶戶存有余糧。原幅軍各部老幼也得就地分田收獲，自足有余。到八月底收得稅糧十二萬(wàn)石，及各縣前所繳獲合計(jì)約十九萬(wàn)石。