太平军一万多人自河阳南下沂州，右十八军程学启一马当先，管带军中火炮四十门充当开路先锋，沂河两岸闻之震惊，团练绿勇无不溃逃，乡中贫农光棍影从。(.)驻守费县的汪海洋得知大军将攻沂州府后，也率右十九军顺小沂水南下，逼迫清军。
此时沂州清军分为三部，大名镇总兵史荣椿率本部及徐州镇总兵兴庆等部四千人驻马庄大营，沂州协副将郝上痒部两千人守耿家埠圩，德州营参将安勇与沂州知府李维醇、兰山知县陈纪勋等率一千德州营勇、一千沂州团练兵守府城。三地两两相距仅五六十里，互为犄角之势。
十四日晨，太平军抵达兰山北四十里太平集。王炤源与诸将佐商议后，决定以沂州府城为契机，先攻城再破敌。日中，太平军至沂州城下。沂州城东临沂河，北滨涑河，东南西北有镇海、望淮、瞻蒙、宗岱等四门，城墙护河皆险要难攻，号之“齐鲁锁钥”。王炤源不欲强攻，遂令刘肇钧右十二军围望淮、瞻蒙二门，任柱骑二军于镇海、宗岱二门外游弋，其余各部则扎营于城北五里。
王炤源表面以“围城打援”示清军，实则令刘肇钧暗挖地道，欲炸城墙。又令玄机营师帅丁汝昌往峄县，联络幅军刘平等部来会。李维醇不知其计，依仗着内有坚城，外有马庄、耿家埠强军支援，遂摆出一副死战到底的架势。
十五日，耿家埠郝上痒军先来救援，至城北十里，突遭太平军右十六、右十八、骑一军共八千多人阻击，郝上痒不敌，损失近千人后急退马庄，与史荣椿等会合。史荣椿见郝上痒兵败，确信太平军欲围城打援，再不敢援沂州城，只是发信催促援军。前太平军出蒙山攻沂水时，史荣椿已感南路兵力不足，上书奏请援军。
沂州紧迫，清廷也无奈，林凤祥、李开芳等部太平军仍占阜城、高唐，僧格林沁、胜保师久无功。皖鄂太平军又于夏历五月绕洞庭湖攻枝江、常德，而后与湖南太平军会合，一改先前湘潭之败颓境，回军再克武昌，清廷急召各路大军齐集岳阳，与秋官又正丞相曾天养鏖战。()原阻击曾立昌北伐援军的舒伦保、桂明等军也已南下，张殿元军已在泗水堵防太平军北上会合林李，鲁豫一带只剩在黄河布防的河东河道总督长臻部。
长臻部为河标绿营，本常驻济宁，北伐援军过黄河后，清廷令河标诸营屯于黄河沿岸，防备太平军再度北上。然而由燕王秦日纲所率第二北伐援军在舒城兵败，太平军再无北上之力。清廷遂令长臻援史荣椿，长臻部有三千人，从徐州出发，经邳州、郯城。
七月十八日，陆遐龄率八千太平军突然袭击马庄清营，汪海洋也率右十九军赶到。清军猝不及防，连失五座营寨，史荣椿不敢久留，仓惶弃营率军南下欲与长臻会合。
陆遐龄见史荣椿已退，知穷寇勿追，便回军围沂州，至此沂州已成孤城。二十日，峄县幅军赶到，扶老携幼，连绵数里，约有三万人众。如此庞大的队伍，着实让太平军将士吓了一跳，也让王炤源等高级将佐们联想到不久前的北伐援军之溃。王炤源先私下召来丁汝昌询问，得知所召峄兰幅军原只有穆柯寨刘平、云谷山刘双印、车辋崮宋斌等三股，约五千人，然其各部于途中广招民众，不分老幼，至此已有三万之众。
王炤源当即召来刘平、刘双印、宋斌等三人，好生抚慰，令其驻于耿家埠旧清军大营，只是不谈整编官职之事。次日凌晨，刘肇钧所挖地道至瞻蒙门下，太平军在地道中埋放火药，同时数十门火炮猛轰，城墙坍塌，右十二军等部攻入城内，迅速占领沂州府衙。
卯时之后，沂州城平定，知府李维醇、县令陈纪勋、参将安勇等被擒杀，俘获兵勇千人。王炤源没有急于入城，只是令刘肇钧率右十二军控制城池，颁布安民告示。而后调集右十六、右十八、右十九等军秘密布防于幅军大营外围，并令刘平等人协同参军酆谋等挑选幅军精壮，得六千人。此六千人被剖为三军，任刘平、刘双印、宋斌三人为军帅。刘平军调往平邑与袁宏谟右八军混合，重新整编为右八正副军，袁宏谟为总制，胡春福为正军军帅，刘平为副军军帅。刘双印军则与陆遐龄右十六军就地合并，整编为右十六正副军，其为副军军帅。宋斌军与程学启右十八军整合，其本人为副军军帅。其余幅军老幼，仍居耿家埠大营，由太平军供给。
二十二日正午，王炤源进驻沂州府衙，而后立即改组将军府，置军事府与政事府分理军政事务。其中军事府以军师刘淑愈为总领，龙凤翴领长史监，酆谋领参军监，董乾儒领辎重监，刘德培领军器监。政事府以副将军李岚谷为总领，置六部政书分领政务，钟良相为吏政书，高崇善为户政书，颜士钦为礼政书，潘合孚为刑政书，陆继恩为工政书，另郑永和为兵政书总管尉队营。
同时，敲定各地驻守将领，由右八正副军总制袁宏谟率两军驻平邑、泉林寺，右十七军总制任桂新驻蒙阴，右十八正副军总制程学启、右十九军总制汪海洋等三军驻河阳，右十二军总制刘肇钧驻费县，沂州府城则驻有陆遐龄右十六正副军、骑一军、骑二军等四军。至于尉队五营则分别驻于沂州、平邑、费县、蒙阴、河阳。此次布防调整明面上也反应太平军下一步战略方向，程学启、汪海洋两员大将同时进驻河阳，无疑证实沂水、莒州是下一步目标。
二十五日，蒋婉等家眷从平邑赶来，这位将军夫人搬入了位于原沂州府衙的新家。沂州府衙十分宽阔，从外往里，除正门、仪门外，还有箴石亭、仁正堂、川堂、忠济堂。其中仁正堂是大堂，也叫府衙正堂，忠济堂则是府衙后堂。忠济堂的后面是知府宅，两进两出。太平军入主沂州府，知府宅成了将军宅，王炤源和蒋婉就在这里居住。此外府衙内还有几处大小不同宅子，王炤源没有像洪天王那样一进城就独霸豪宅建皇宫，而是将左侧同知宅给了李岚谷，右侧通判宅给了刘淑愈一家，高崇善和高芸则住在李岚谷前面的推官宅，董乾儒、刘德培也将家人接了来，分别住在经历宅、照磨宅。司狱宅则归在府衙入值的尉队营使用，其他单身的书理、从事住在吏房，诸将领在城中也分配有房屋。
七月底，各地基本安定下来，均田、募兵等工作也在政事府与军事府主持下有条不紊地进行。在此期间，清军没有及时反扑，不过调兵防堵还在继续，尽管已经被验证不怎么管用。东北方向，新任登州水路总兵田浩然率军再至穆陵关。驻邳州的南路清军除了河东河道总督长臻、大名镇总兵史荣椿、署徐州镇总兵兴庆外，又来了江南河道总督杨以增、漕运总督邵灿，据玄机营报，左副都御史王履谦也率河防团练进驻峄县。
至此聚集在沂州外围三品以上大员有三总督（长臻、杨以增、邵灿）一提督（张殿元因沂州陷革职戴罪立功）五总兵（孔广顺、恒龄、经文岱、史荣椿因沂州陷革职留任、田浩然），再加上正三品左副都御史王履谦，共有十位统兵大员。清兵兵员近三万余人，成为继岳阳武昌、天京扬州、阜城高唐之外第四大战场。
为与外围清军抵抗，王炤源于八月初，将右八、右十六、右十八等三支副军整编为右十三、右十四、右十五等军，以刘平、刘双印、宋斌为总制，以詹德伦、陆聚奎、孙化祥为军帅。另集中精壮建右十一军及骑三军，以任乾、黄隆芸为总制，何明亮、任希成为军帅。至此，太平军共建右八及右十一至右十九步军十支三万余人，骑军三支八千人，尉队五营三千。
八月初三，经刘淑愈、李岚谷等劝谏，王炤源称“指挥”，并升袁宏谟、陆遐龄、程学启、汪海洋等四人为将军。由袁宏谟统带右八军、右十三军，陆遐龄统带右十六军、右十四军，程学启统带右十八军、右十五军，汪海洋统带右十九军、右十一军。其所遗原职皆由原军帅补任。
其后不久，程学启与汪海洋合作攻克沂水，新任莒州知州丁守存等退守莒州。程学启守沂水，汪海洋回军河阳。初八，王炤源命李宗堂、苑文榜、李乘丰、赵魁元、赵宝善、张镇邦等为平邑、费县、兰山、蒙阴、沂水、河阳等六县县监处理政务，并监各诸军。八月下，各县相继完成秋收，太平军辖境各户均已分得田地，除田税外杂税皆被取缔，户户存有余粮。原幅军各部老幼也得就地分田收获，自足有余。到八月底收得税粮十二万石，及各县前所缴获合计约十九万石。
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