王忠嗣下令兵马疾行，命李光弼的左路大军前插，前往鄂陵湖之东的羚羊城，截断羚羊城和多玛城之间的道路。右路军哥舒翰则往扎陵湖之西，将石堡城和多玛城之间的道路截断，让呈品字形分布的三座城池孤立起来，目的便是快速拿下凸前的多玛城。
三日后，王忠嗣的中路军抵达多玛城北的戈壁之上，远处多玛城的轮廓已经清晰可见。王忠嗣立刻下令推进到多玛城以北两里之地扎下营盘，准备攻城事宜。
多玛城坐落于扎陵湖和鄂陵湖东北方的湖岸上，一面临水，三面是戈壁荒滩。这是一座全部由砂砾和泥土筑成的土城。城池规模并不大，但城池修建的高大坚固。虽然是由砂砾和泥土铸就，但吐蕃人在长期居住的环境中摸索出了筑建坚城的办法。扎陵湖和鄂陵湖中的淤泥含有某种粘性的物质，吐蕃人将之从湖中捞起，和沙土搅拌之后在夹板中夯实，风干之后砂砾块坚硬如铁，让吐蕃人在无砖石树木的情形下依旧能造出高大坚固的城池。
但城池的规模决定了这座城池不可能驻扎有太多的兵马，所以王忠嗣也是有恃无恐，敢于将左右路军分别置于多玛城两侧，而只用中路五万大军对多玛城进行攻击。王忠嗣也是希望自己能亲率中军打响这第一炮，给大军以表率作用。
大唐大军兵临城下，但想象中的多玛城中守军的慌乱并未出现。在侦查多玛城城防的时候，王忠嗣看到的是层层城墙上矗立的吐蕃守军丝毫不乱。城墙各处正在紧张的进行着加固，搬运着土石弓箭等物，似乎要坚守此城。
王忠嗣心中冷笑，这帮吐蕃人不自量力，此乃螳臂当车之举。以王忠嗣的考量，吐蕃兵马的最佳策略应该不是分别坚守城池，而是应该合兵一处突破己军一部，方为上策。当然自己是不会给他们这个机会的，但这毕竟是最佳的策略。现在吐蕃人连这一点都没有做到，显然在战法上是没有远见的。
九月二十五日上午，王忠嗣率领中路军对多玛城发动进攻。数百架投石车开始对城头实施石块轰击，压制城头吐蕃守军的同时，给步兵以推进在护城河上铺设桥梁，推进到城墙下方的机会。
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攻城作战开始后，吐蕃人的反击甚是猛烈。城墙内侧，吐蕃人聚集了百余架抛楼，将石块又高又远的抛射入唐军阵中，给大唐兵马造成了大量的杀伤。于此同时，城头的吐蕃兵马冒着投石车投下的石块轰炸朝冲锋的唐军用弓箭狙击。在唐军靠近城墙时大量巨石土块从城头抛掷而下，造成大量的伤亡。
王忠嗣毫不退缩，攻城作战造成大量的伤亡在意料之中，自己有资本与之对耗，一旦城池被破，这种伤亡的差距立刻便会得到平衡。多玛城已是孤城，攻破这座城池后，城中的吐蕃人便全部差池难逃，到那时便可任凭唐军屠戮。
攻城战持续到了傍晚时分，唐军发动了五次大规模的冲锋，数番攻上城头。但还是未能攻破多玛城。士兵阵亡超过四千人，伤亡人数也超过了八千人。吐蕃人死伤也不小，但他们顽强的抵挡住了一次又一次的进攻，像是铁了心要和唐军在此同归于尽一般。
这种情形虽然出乎王忠嗣的意料，但王忠嗣却并不慌张。王忠嗣停止攻城，让士兵们得以休息。同时宣布了夜间进行大规模攻城的命令。王忠嗣下令除了受伤的士兵以及数千后勤兵马，其余三万兵马全部参与夜间的攻城。夜晚的攻城要一举拿下，绝无退缩之说。
初更之后，戈壁滩上一片黑夜笼罩。三万唐军趁着黑夜的掩护，沿着白天搭建的护城河的数百条桥梁潮水般的涌向多玛城。数千架云梯搭上了城头，几乎不费吹灰之力，数千唐军便攻上了多玛城的城头。城头的吐蕃人的守军只有零星的抵抗。当大量唐军涌上城头的时候，整座城中的吐蕃兵马像是蒸发了一般，消失的无影无踪。
王忠嗣接到禀报进入城中，站在城头看着黑漆漆一片的多玛城时，心中也自疑惑。正要下令兵马冲入城中搜捕吐蕃兵马时，猛然间城中四处火起，片刻之后，城中便成了一片火海。许多人影在城中四处纵火，看样子是吐蕃人自己放火烧城。
王忠嗣忙下令全军退出城外，这大火烧了整整一夜，到天明时分火势才见熄灭。王忠嗣率兵进城，满城的土屋被烧的热气袭人，所有的房舍都被烧的损毁，无一座完好的房舍。
搜查的兵马禀报说城中并不见吐蕃兵马的踪迹，大量吐蕃兵马像是被大火烧的人间蒸发了一般，根本不见任何踪迹。王忠嗣甚是纳闷，昨夜也不见吐蕃兵马逃出多玛城，难道真的烧死在这里不成待他来到南城门处时看到南门外临水的码头时，这才恍然大悟。码头边靠着几十条芦苇船，这是用扎陵湖边茂盛的芦苇扎就的简易船只。码头上散落着大量的兵器物资，脚步杂沓，一片杂乱景象。
失策，失策。王忠嗣皱眉骂道：本帅原以为他们被瓮中捉鳖插翅难逃，现在看来，是趁着我们进攻的间歇乘坐这样的芦苇船从湖上撤离了。临走时还烧了城池，留给我们一座空城，着实可恶。