此時沂州清軍分為三部，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，沂州協(xié)副將郝上癢部兩千人守耿家埠圩，德州營參將安勇與沂州知府李維醇、蘭山知縣陳紀勛等率一千德州營勇、一千沂州團練兵守府城。三地兩兩相距僅五六十里，互為犄角之勢。

    十四日晨，太平軍抵達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，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，城墻護河皆險要難攻，號之“齊魯鎖鑰”。王炤源不欲強攻，遂令劉肇鈞右十二軍圍望淮、瞻蒙二門，任柱騎二軍于鎮(zhèn)海、宗岱二門外游弋，其余各部則扎營于城北五里。

    王炤源表面以“圍城打援”示清軍，實則令劉肇鈞暗挖地道，欲炸城墻。又令玄機營師帥丁汝昌往嶧縣，聯(lián)絡幅軍劉平等部來會。李維醇不知其計，依仗著內(nèi)有堅城，外有馬莊、耿家埠強軍支援，遂擺出一副死戰(zhàn)到底的架勢。

    十五日，耿家埠郝上癢軍先來救援，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，與史榮椿等會合。史榮椿見郝上癢兵敗，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，史榮椿已感南路兵力不足，上書奏請援軍。

    長臻部為河標綠營，本常駐濟寧，北伐援軍過黃河后，清廷令河標諸營屯于黃河沿岸，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，太平軍再無北上之力。清廷遂令長臻援史榮椿，長臻部有三千人，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，汪海洋也率右十九軍趕到。清軍猝不及防，連失五座營寨，史榮椿不敢久留，倉惶棄營率軍南下欲與長臻會合。

    陸遐齡見史榮椿已退，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，約有三萬人眾。如此龐大的隊伍，著實讓太平軍將士嚇了一跳，也讓王炤源等高級將佐們聯(lián)想到不久前的北伐援軍之潰。王炤源先私下召來丁汝昌詢問，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，至此已有三萬之眾。

    王炤源當即召來劉平、劉雙印、宋斌等三人，好生撫慰，令其駐于耿家埠舊清軍大營，只是不談整編官職之事。次日凌晨，劉肇鈞所挖地道至瞻蒙門下，太平軍在地道中埋放火藥，同時數(shù)十門火炮猛轟，城墻坍塌，右十二軍等部攻入城內(nèi)，迅速占領沂州府衙。

    卯時之后，沂州城平定，知府李維醇、縣令陳紀勛、參將安勇等被擒殺，俘獲兵勇千人。王炤源沒有急于入城，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?，胡春福為正軍軍帥，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，由太平軍供給。

    二十二日正午，王炤源進駐沂州府衙，而后立即改組將軍府，置軍事府與政事府分理軍政事務。其中軍事府以軍師劉淑愈為總領，龍鳳翴領長史監(jiān)，酆謀領參軍監(jiān)，董乾儒領輜重監(jiān)，劉德培領軍器監(jiān)。政事府以副將軍李嵐谷為總領，置六部政書分領政務，鐘良相為吏政書，高崇善為戶政書，顏士欽為禮政書，潘合孚為刑政書，陸繼恩為工政書，另鄭永和為兵政書總管尉隊營。

    同時，敲定各地駐守將領，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啟、右十九軍總制汪海洋等三軍駐河陽，右十二軍總制劉肇鈞駐費縣，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。至于尉隊五營則分別駐于沂州、平邑、費縣、蒙陰、河陽。此次布防調(diào)整明面上也反應太平軍下一步戰(zhàn)略方向，程學啟、汪海洋兩員大將同時進駐河陽，無疑證實沂水、莒州是下一步目標。

    二十五日，蔣婉等家眷從平邑趕來，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、儀門外，還有箴石亭、仁正堂、川堂、忠濟堂。其中仁正堂是大堂，也叫府衙正堂，忠濟堂則是府衙后堂。忠濟堂的后面是知府宅，兩進兩出。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，王炤源沒有像洪天王那樣一進城就獨霸豪宅建皇宮，而是將左側同知宅給了李嵐谷，右側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，分別住在經(jīng)歷宅、照磨宅。司獄宅則歸在府衙入值的尉隊營使用，其他單身的書理、從事住在吏房，諸將領在城中也分配有房屋。

    七月底，各地基本安定下來，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行。在此期間，清軍沒有及時反撲，不過調(diào)兵防堵還在繼續(xù)，盡管已經(jīng)被驗證不怎么管用。東北方向，新任登州水路總兵田浩然率軍再至穆陵關。駐邳州的南路清軍除了河東河道總督長臻、大名鎮(zhèn)總兵史榮椿、署徐州鎮(zhèn)總兵興慶外，又來了江南河道總督楊以增、漕運總督邵燦，據(jù)玄機營報，左副都御史王履謙也率河防團練進駐嶧縣。

    至此聚集在沂州外圍三品以上大員有三總督（長臻、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。清兵兵員近三萬余人，成為繼岳陽武昌、天京揚州、阜城高唐之外第四大戰(zhàn)場。

    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余人，騎軍三支八千人，尉隊五營三千。

    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任。

    其后不久，程學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。程學啟守沂水，汪海洋回軍河陽。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、費縣、蘭山、蒙陰、沂水、河陽等六縣縣監(jiān)處理政務，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石，及各縣前所繳獲合計約十九萬石。