第二天，很多大食军向唐军拼死反扑，他们在唐军优势火力的打击下伤亡惨重，但是仍前赴后继，高呼着圣战的口号向唐军冲来。
唐军也是杀红了眼，枪炮并用，对于敢于冲来的大食人无情的射杀，在各个街道内展开了大规模的杀戮。
大食人的炮灰数量毕竟有限，到了第三天大食军逐步显现出颓势，各路唐军逐步攻入巴格达的中心区域，对于敢于阻挡的大食军一概射杀。
在唐军的强大攻势下，大食人开始感到了害怕，逐步往后退缩，最后全部退到了哈里发的皇宫。唐军扫平巴格达城内的其他区域后，最后将哈里发皇宫层层包围，要求里面的大食军投降，否则就将发动总攻。
哈里发马蒙发动圣战让别人去送死，自己却不愿意死，最后关头选择投降，让守军打出了白旗。经过连续三天的进攻，唐军终于拿下巴格达，李愬下令将所有俘虏赶到城外，集中看押起来，将马蒙单独关押。
李愬带着张广孝、吴元济等人来到哈里发的皇宫，发现里面奢华无比，再打开宫中的府库，里面存放着大量的金银珠宝，远远超过了李愬等人的认知。
吴元济看到有这么多的珠宝，眼都看直了，当场建议将这些珠宝分给三军部队。李愬则认为，这是一笔巨大的财富，如果全部瓜分肯定不合适，决定拿出其中三分之一的金银分给各军，其他的则封存起来，后面交给朝廷。
张广孝也觉得全部瓜分不太合适，怕朝廷后面怪罪下来，也同意李愬的意见，吴元济只能无奈接受。
战后，李愬命人统计巴格达之战的战损情况，唐军阵亡三千多人，一万多人受伤，大食军则阵亡四万多人，六万多人被俘。
总体来看，第二次巴格达战役，唐军占据了绝对的优势，三个军的阵亡数量比第一次还低，算是一场比较成功的攻城战。
唐军拿下巴格达之后，已经到了九月初，李愬让部队原地休整一番，计划后续将黑衣大食残余的地方拿下后，再进攻拜占庭帝国。
唐军休整到第三天，范希朝突然派人送来一封信件，信里说李纯考虑到唐军由于连续作战，伤亡较大，打下巴格达之后，只要拿下包括亚美尼亚的大食全境就结束任务，不再进攻拜占庭。
原来，李纯在后方先后收到各军的战报，发现各军伤亡不小，特别是范希朝送来关于第一次巴格达战役的战报后，李纯特别心痛，认为拿下黑衣大食就好，不愿因进攻拜占庭产生新的伤亡，就调整计划，将拜占庭调到第三
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