25日，联军向前推进了二十公里，距离山口城仅剩十公里。
正常情况下，革命军陆军在国内作战时，每日行军速度通常控制在三十公里至四十公里。这次，革命军在异国他乡作战，缺少骑兵，又要兼顾法军和幕府军，便刻意放慢了行军速度。
联军在山口城外十公里的地方安营扎寨。当晚，藩军夜袭联军。他们不敢进攻革命军和法军，集中兵力袭击间部诠胜的幕府军。
兵法云，哀兵必胜。藩军打不过革命军，对付幕府军却是很有信心。间部诠胜麾下的幕府军，号称三万，实际只有两万，从西国各藩征调而来。
长期以来，长州藩一直都是西国各藩中军事实力最强的藩国。此次征长，西国各藩被迫出兵，协同幕府对战长州藩。
开战之初，各藩惮于长州藩的军力，出兵并不积极，在战场上的表现也很消极。但联军在战场上表现神勇，长州军节节败退。幕府军副将间部诠胜的威信大大提高，各藩军队也态度大变，作战相当踊跃。
这一晚，长州军与幕府军大战。长州军人少，但同仇敌忾，士气更高。幕府军人马更多，又采取守势，以逸待劳。一时间，两军彼此难分上下
间部诠胜派人向联军求救。联军司令陈清泉不顾夜黑情况不明，派遣两干援军增援幕府军。长州军败退。
次日一大早，间部诠胜及法军代表皮埃尔，准时来到革命军军营，与陈至立商量今日的安排。
按计划，联军将继续向山口城进发，直到山口城外两公里的地方扎营。根据最后通牒，长州藩应当于今日下午十四时无条件投降。
对于昨夜的战斗，间部诠胜没多说什么，皮埃尔却很有感触。他说：
“陈先生，昨晚长州藩军夜袭幕府军，作战相当勇猛。经过这么多天的战斗，我们原本以为，长州军已是强弩之未。没想到，他们还能坚持战斗，还敢主动夜袭联军。
“我想，我们或许应该慎重考虑，是否应该继续要求无藩军无条件投降。如此苛刻的条件，或许会迫使藩军再无顾忌，鱼死网破。”
陈至立看了下间部诠胜。间部诠胜只是耸了耸眉毛，一副不以为然的样子。
于是，陈至立说道：“皮埃尔先生，我们已经向长州藩发出了最后通牒，要求长州藩无条件投降。此时再放宽条件，岂不显得我们心怯，反而鼓舞了藩军顽抗到底的信心？”
间部诠胜则说：“昨晚的战斗，长州藩兵锋直指幕府军。我在幕府军营中，亲眼所见，亲耳所听，藩军缺少火器，火器缺少弹药，甚至用上了弓箭和长矛。
“由此不难看出，藩军已是强弩之未，不可能守住山口城。我们离山口城只剩二十里路了，胜利就在眼前。舍弃唾手可得的胜利，反而让敌军让步，岂非不智？”
此次征长，幕府军总督松平容保特意强调，联军与幕府军本来互不隶属，互不干涉。但间部诠胜有意消灭长州藩，与中国走得很近，甘愿受到联军的节制，对中国提出的奉还版籍、均田免赋等计划，也举双手赞同。
当联军内部出现了分歧后，间部诠胜也坚定站到了中国一边，支持中国的无条件投降要求。
有了间部诠胜的支持，皮埃尔不好再坚持己见。陈至立则语重心长地劝道：“皮埃尔先生，在对日政策上，法国与中国的立场是一样的。我们都支持幕府，希望幕府能够统一日本内政。
“长州藩是尊王攘夷派武士的大本营，也是日本内部的不稳定因素。我们要支持幕府，就得从根本上消灭长州藩，就得实施奉还版籍、均田免赋两大政策。
“奉还版籍、均田免赋，将从根本上改变长州藩的现状，必将受到藩内各种势力的抵制。如果长州藩不是无条件投降，而是有条件下的投降，我们想搞奉还版籍、均田免赋，基本是行不通的。”
在长州藩实施奉还版籍和均田免赋政策，皮埃尔也是支持的。听过陈至立的解释后，他释怀了不少。
之前，中英法三国联合干涉萨摩藩，以英国为主导。战后，三国与萨摩藩签署了和约。但英国存心支持萨摩藩，战后和约条款相当宽松。
萨摩藩藩主岛津齐彬照样主政萨摩，萨摩武士对外国人同样抱以敌视态度。唯一的例外时，萨摩藩与英国的关系迅速升温，萨摩武士对英国人格外友好。
这在皮埃尔看来，等于是英国人吃独食，把其他国家排除到了萨摩藩以外。
在长州藩问题上，法国选择与中国亦步亦趋，有意与英国人唱反调，显然汲取了萨摩藩的教训。
于是，联军坚持原定计划，要求长州藩无条件投降。今日，联军将继续向山口城进发。但拔营时间推迟两小时，联军官兵昨晚夜战，得以多休息两个小时。
中午12时，联军抵达山口城外两公里外的地方，在此这停营造饭，等待攻占山口城。
藩军接连挫折，已经无力再阻挡联军。守将大村益次郎束手无策，把藩军全部撤回城内，准备与城共存亡。
他曾对奇兵队寄予厚望，扩编的奇兵队达到一万多人。队伍纷繁杂乱，不下几十种之多，名称亦五花八门，如“农民队”、“力士队”、“先锋队”、“八幡队”、“集义队”、“义勇队”、“荻野队”和“游击队”等，少则三五十人，多则三五百人。
藩军接连战败，奇兵队也难以为继，纷纷作鸟兽散。山口城是座新修的城堡，位于山地，纯粹为了军事防御而修建，本身容量有限。
大村益次郎把藩军撤回城内，试图凭险据守。藩军主要由八组军队和藩主直属军队组成。八组军队皆为八位家老的私兵，由于家老们在战降问题上意见不一，八组军队内部已然不稳。
大村益次郎打算把三组军队撤到城外防御。这三组军队，皆为主张投降的家老的军队。但家老的地位高于大村益次郎，大村益次郎调不动他们，只得向毛利敬亲求助。
毛利敬亲已经抱着必死之心，担心三组军队会趁机投降联军，觉得自己还有威望罩住藩军，拒绝了大村益次郎的建议。
14时，最后通牒时间已到，毛利敬亲拒绝投降。联军开始攻城，首先使用火炮轰击城墙。
山口城的城墙并不牢固，虽然地处山地，却并未用条石修葺城墙。因为石质城墙费用高昂，且重量较重，易受地震破坏。日本的建筑大多使用木质，一是造价便宜，再就是可以减轻地震带来的灾害。
联军的火炮轰击了一个小时，在山口城墙上打开了一段百米长的缺口。紧接着，幕府军、革命军和法军，相继冲入城内，与长州藩军展开巷战。
藩军退无可退，表现两极分化。一部分军队视死如归，包括尊王攘夷派武士、毛利氏的直属军、五组家老军队，都与联军血战到底。
但因为双方实力悬殊，这部分军队官兵大部分战死，甚至还有自杀者。大村益次郎、桂小五郎等攘夷派武士大多战死。毛利敬亲切腹自杀。
还有三个家老主张投降，所属部队态度消极。有一组军队开后门逃走，剩下两组军队干脆投降。
毛利敬亲死后，以益田右卫门为首的三位家老，拥立毛利敬亲的儿子毛利元德为新任藩主。新藩主第一道命令，便是命令藩军放弃抵抗，向联军无条件投降。