再说唐肃宗派张镐前往河南主持大局，除了担心睢阳和张巡的安危，还有一个更重要的原因，那就是郭子仪不久前从九姓铁勒之首的回纥部借来了四千精兵，同时，西域方面也有数万汉胡军队刚刚抵达凤翔，唐肃宗帐下自此重新汇集了十五万军队，号称二十万，再凭借江淮等地不断送来的物资与粮草，终于具备了发动第三次收复长安之战的条件。张镐离开凤翔后不久，唐肃宗又派人追上他，授以密旨道：“朕已下令李豫、郭子仪，不日就向长安进军，如今叛军的一半兵力都在尹子奇手中，只要这支军队一直被拖在睢阳，李豫、郭子仪两位元帅此战一定能成功。所以，请爱卿务必保全张巡，保住睢阳，至少也得坚持到我军成功收复长安！”
张镐阅过唐肃宗旨意，先行派人前往睢阳打探战况，手下回报：“睢阳守军长期缺乏食物，已只剩几百人了，只怕城破在即。”
张镐担心尹子奇攻克睢阳之后，会分兵援救镇守长安的安守忠，忙又派人骑快马分别通知尚坚守在河南，未投降叛军的谯郡太守闾丘晓、宁陵城使廉垣等人，让他们立即前往睢阳助战，务必坚持到自己抵达。谯郡太守闾丘晓畏惧敌军势大，拒绝了张镐的命令，依然选择按兵不动；好在另一位唐军守将，宁陵城使廉垣得令后，带着所部兵马三千人向睢阳进发，恰好与求援失败、泱泱归来的南霁云相遇。南霁云见终于来了一支援救睢阳的官兵，喜极而泣，当下与廉垣合兵一处，去解睢阳之围。哪知他俩到睢阳之后，赫然发现：尹子奇料定南霁云会去而复返，已提前在城外打造了一圈坚固的连营，封锁了南霁云的回城之路。南霁云急着进城，与廉垣率三千余人与叛军展开激战，南霁云所部三十骑固然骁勇，以一当百都没问题，无奈其他前来助战的唐军战斗力着实一般，在敌军的猛烈攻击下，廉垣所率的三千人大多战死，只有不到一千人随南霁云进入城内，而且，廉垣带来的粮食也被叛军抢夺一空。
城内的唐军一直苦盼援军，没想到援兵虽然来了，只有这一点部队，所有人都无比失望。张巡本来也很失望，但他经廉垣告知，朝廷即将发动第三次收复长安之战，很快又振奋起来，呼吁全军继续坚持下去。眼看破损的城墙和即将被填平的壕沟都无法有效阻挡敌军，他又带人在城内用木栅构筑营地，从而尽可能多的延长尹子奇攻克睢阳的时间。尹子奇率军突破外城之后，又与张巡在城内大战了一个多月，仍然无法让张巡屈服。
不知不觉间，这一年的冬季悄悄来临了，到这时，睢阳保卫战已经历时达十个月之久，不算之前在雍丘、宁陵二地取得的辉煌战果，仅这一场战役，张巡领导的数千官兵便击杀燕军达十二万之多，和叛军累计交手达四百余回。每当唐军将士坚持不下去，打算放弃的时候，张巡就会一一呼叫所有士兵的姓名，鼓励他们振奋起来，继续与敌军战斗下去；对于那些打算当逃兵的人，张巡则愤怒地斥责他们，因为这一缘故，张巡逐渐喉咙嘶哑，连话都说不清了，他口中的牙齿也被他咬碎了许多。
睢阳守军最大的难题还是缺粮，张巡起初让士兵们屠杀战马为食，吃光战马之后，他让士兵们以鼠雀为食，鼠雀吃光了之后，他让士兵们以树皮、草根为食，树皮草根吃光之后，他让士兵们把盔甲、武器脱下来，以上面的棉絮、线头、皮筋为食，连在这个都被吃光后，他又取出自己的藏书，让士兵们以纸张为食。总之，只要吃不死人的，都被唐军用作充饥的食物。
可是到这一年十月，城中连张纸都不剩了，张镐和其他援兵依然没到。士兵们向张巡哭诉，说我们已经一点力气都没有了，再不投降，所有人都得活活饿死。张巡悲叹一声，泪水潸然而下，他问部下们道：“牺牲一城的百姓，与牺牲整个江淮的百姓，你们会作何选择？“
部下们面面相觑，不知张巡为何有此一问。
张巡很快擦去泪水，尔后无情地下令道：“把城中所有的女人杀了，聊作充饥。“
“将军，这…“
“如果这样还不能撑到援军抵达，就把没有战斗能力的老人也杀了！“
消息传开，令人惊奇的是，那些得知自己要被官兵作为食物的女人、老人竟然无一人逃走，主动引颈就戮。临死之前，他们对张巡道：“我们知道将军您也一定会杀身取义，和我们一样，所以，我们不怪你。“
城中的百姓在这之前早已经饿死了十之八九，所以哪怕这样，没过几日，睢阳城中再次断粮。但这时，两个惊人的消息也传至睢阳。
第一个消息：在李豫、郭子仪的率领下，朝廷终于打赢了长安之战第三回合，西京重新回到了大唐的怀抱。
第二个消息：贺兰敬明已被免职，张镐取代他成为了大唐河南节度使。张镐就任河南战场最高统帅之后，下达的第一道命令就是将之前不肯出兵救援张巡的谯郡太守闾丘晓斩首示众，河南各地的官兵见张镐斩将立威，铁面无私，无人再敢抵触他的命令。经张镐调度，整个河南战场的所有唐军正四面八方朝着睢阳赶来。
张巡得知这两个消息后，当即朝着西北方向跪倒，再三叩拜，然后沉声说道：“臣的精力已经枯竭，今后不能再替国家效劳了，只可恨，臣不能亲眼目睹唐军收复睢阳的那一日。臣生前受陛下知遇之恩，无以为报，只能死后变成厉鬼继续替国家奋勇杀敌了！“
说完，他站起身来，召集所有将士集合，共计四百人。他趁着四百人还有力气走路，亲率他们冲出营地，与尹子奇进行了最后一场战斗。结果不难猜测，含张巡在内，所有唐军将领皆被燕军俘虏。