10月17日夜，太平軍石達開、羅大綱所部太平軍，乘夜渡過湘江，控制湘江兩岸渡口。
之後，太平軍乘湘江水淺，橫跨湘江搭設浮橋，與東岸太平軍主力連成一片。
太平軍西進，控制了西岸大片稻米産區，解決了太平軍的糧食問題。除此之外，石達開、羅大綱還分兵進抵嶽麓山、金牛嶺等處，搶占西岸戰略支點。
清軍方面，湖南巡撫張亮基與提督向榮互相推诿塞責，不敢分兵到西岸抗擊太平軍。
10月20日，張亮基手下的苗兵，由常存率領着，終于渡過湘江，負責西岸北側防務。同一日，向榮派馬龍率兵渡江，負責西岸南側防務。
不久，清軍看出西岸地勢重要，欽差大臣賽尚阿親自來到西岸，督促清軍收複西岸。向榮亦親率大軍，來到西岸尋找太平軍決戰。
太平軍西岸兵力較少，部署較爲分散。石達開靈活指揮太平軍，将太平軍分散駐紮在各村莊，遇有戰鬥再集中攻守。
在石達開的率領下，西岸太平軍乘隙轉戰，來回運動，使清軍一時之間找不到太平軍的主力。
同時，石達開飛書楊秀清，向他讨要援軍。這時，太平軍第二次穴地攻城失利，東岸戰場趨于甯靜。
29日，楊秀清派吳捷、李開芳所部三千人渡江，支援石達開、羅大綱。
石達開得到三千援軍，頓時有了底氣。他抽調兵力，沿湘江西岸築壘固守，并集中精兵，進占牛頭洲。
牛頭洲北側是水陸洲，二洲相連，人馬可以涉水橫渡。此二洲即爲後世所說的橘子洲。
水陸洲是湘江中心一座大洲，得之可控扼湘江東西兩岸。清軍已經派兵在此駐守。
之前，清軍爲防止太平軍沿江北上，已将水陸洲西側的水道堵塞。如今，太平軍正好利用這條陸道，率領大軍借道水陸洲，進駐牛頭洲。
水陸洲東側水道狹窄，坐船可以很快到達長沙城西。是故得占水陸洲，可以方便地溝通東西兩岸。
石達開留羅大綱在西岸主持防務，率吳捷、李開芳所部三千人進抵牛頭洲，試圖和清軍争奪水陸洲。
這三千太平軍行動招搖，不思遮掩，故意吸引清軍注意力。
清軍向榮早就盼着尋找太平軍決戰，看到牛頭洲有三千太平軍，當即親率三千士卒支援水陸洲清軍。
水陸洲、牛頭洲相連，控扼湘江東西交通線，是雙方必争之地。石達開率軍占據牛頭洲，希望在此設伏，引誘清軍決戰。
向榮果然上當。說起來，向榮仍是戴罪之身呢。向榮行伍出身，從軍三十多年，先後與新疆張格爾叛軍、天地會起義軍、天理教起義軍、太平軍等作戰，是清軍綠營中第一流的名将。
去年，太平軍自永安突圍，去向不明。向榮憑多年作戰經驗判定太平軍要進攻廣西首府桂林，于是率領大軍星夜馳援桂林，趕在太平軍前一天到達桂林。太平軍終究不敵向榮，折戟桂林城下。
然而，因向榮與滿将烏蘭泰不和，欽差大臣賽尚阿偏袒烏蘭泰。向榮守衛桂林有功，不僅未得到賞賜，反而得到處分。向榮一氣之下稱病，賴在桂林不出，坐視太平軍北上湖南。
清廷革去向榮提督之職。但他在軍中威名素著，和春等其他滿人指揮不動他的部隊。所以清廷并不能真正懲罰他。
直到太平軍進逼長沙，形勢嚴峻，向榮不得不再次出山，以“已革提督”的身份指揮全軍，而全軍膺服。
正因爲水陸洲、牛頭洲位置緊要，敵我必争，向榮便緊跟太平軍之後，進駐了水陸洲。
太平軍駐牛頭洲，清軍駐水陸洲。兩軍對峙，一場惡戰又要爆發了。
吳捷已與張國梁、江忠源等清軍名将交過手。所謂的名将，亦不過是他的手下敗将。向榮年近六十歲，已經垂垂老矣，又怎是吳捷等人的對手？
31日，向榮所部三千清軍進駐水陸洲，急于尋找太平軍主力決戰。按理說向榮久曆戰陣，應該十分謹慎才對。隻因在長沙城下，清軍憑借堅城、火器、人數的優勢打了幾場勝仗，向榮信心大漲。
加之向榮在西岸頓兵日久，被石達開牽着鼻子走，早就想找到太平軍主力，痛痛快快地打一場正面戰役。
太平軍的部署是，以吳捷的一千五百人正面迎擊清軍，引誘清軍進入牛頭洲。李開芳的一千五百人埋伏在牛頭洲的密林中，隻等清軍進入牛頭洲，便出而擊之。石達開自率五百親兵坐鎮後方，充作預備隊。
吳捷先派徐琛帶領十餘騎兵沖抵清軍營前，扮作太平軍斥候，抵近偵察清軍營壘。
向榮起先十分謹慎，派一隊清軍騎兵出營驅趕。但徐琛的騎兵就像牛皮癬一樣，不僅不走，反而主動挑戰清軍。清軍使用火器胡亂射擊，對徐琛等人無可奈何。
向榮大怒，率領大軍越過水陸洲與牛頭洲之間的淺水，進至牛頭洲北端。
乘着清軍渡水之機，吳捷派康可铨率領一千人上前迎敵。清軍總兵馬龍看到太平軍人少，親率部下進攻。雙方各依槍炮，互相轟擊。這馬龍曾在郴州荷葉坪大敗，也是待罪之身，急于立功，以便拿去頭頂的處分。
太平軍佯裝不敵，向牛頭洲南側撤退。清軍大受鼓舞，率軍向前追擊。追至牛頭洲中間位置，吳捷埋伏在樹木裏的五百人出擊。
馬龍猝不及防，當場被槍炮命中數十人，但他仗着人多，死戰不退。
向榮老謀深算，早就留有後手，仍有一千預備隊留在身後，即王家琳的一千豫兵。向榮令王家琳出擊，吳捷所部太平軍不敵，紛紛潰退。
吳捷在身後急得跺腳，急令親兵牽過戰馬，就要親自上陣。這時，侍衛王杉急忙谏言道：“大帥，你不是答應過副帥，不再冒險親臨險境嗎？”
吳捷罵道：“勢急矣！快把戰馬牽來！”
王杉瑞三争辯，最終不敢違拗吳捷命令，隻好乖乖把戰馬牽給吳捷。一隊親兵護衛着吳捷，跟着主帥加入戰場。
清軍人多，太平軍敗象明顯，紛紛向後潰退。石達開見狀，把自己的五百親兵投入戰場，吳捷又拼命招呼敗兵，總算穩住了局面。
但清軍火器先進，向榮的部下多是老兵，頗爲兇悍。太平軍漸漸不支。
吳捷心中着急，把李開芳問候了一百遍：“都什麽時候了，你的一千五百伏兵呢？再不來，我和翼王就要潰敗了！”
說是遲，那是快，隻見一隊太平軍突然從牛頭洲北側冒了出來，截斷了清軍的退路。
原來，李開芳見清軍傾巢出動，便随機應變，改變了預定計劃。他把兵力分成兩半，一半繞至清軍背後，截斷清軍退路，另一半按計劃沖入清軍中軍，把清軍截成兩半。
太平軍士氣大漲，分頭合擊，窮追猛打清軍。
清軍馬龍部率先潰退，卻被吳捷追上，馬龍本尊亦被亂箭射死。王家琳部拼死突圍而出，卻被太平軍阻住退路，所部士卒不會遊泳，溺死湘江者達六七百人。
向榮與王家琳因爲坐騎精良，倉皇逃回西岸，身邊隻剩數百親兵而已。