天心阁的始创源于文化，而非军事，但每当长沙遇到外敌来犯，它便成为一个重要的军事要塞。由于天心阁具有十分特殊的地理位置，自然有利充当瞭望哨、信号台、前线指挥部和战斗营垒，历史上许多发生在长沙的战争就证明了这一点。自明清以来，此地成了兵家必争之地。这是因为天心阁地处古代长沙城内最高位置，登高纵目，一览无遗，且其地势险峻，居高扼守，制控全城。
清嘉庆二十五年（1820）天心阁下城墙外又加筑了南北两个月城，并设炮洞四个，配上四门土炮。到咸丰三年（1853）天心阁左右的城墙上又加设了九座炮台，并有重兵把守。由此说明，天心阁及其所处位置同时肩负起了战时军事要塞的任务。
道光三十年（1850）骆秉章任湖南巡抚，曾下令将铁佛寺内几尊大铁佛铸成一大一小的两座大炮，大的五千斤炮置于草潮门城上，命名为“红袍大将军”，小的一座置于南门城上。骆巡抚的本意是想让神灵与军威合一，为社稷与百姓保安宁，没想到这座大炮后来真的派上了用途。1852年在太平军激战长沙时，大炮被抬上天心阁城头，致使西王萧朝贵阵亡，天心阁这次作了一回临时堡垒。
1852年（咸丰二年）8月28日，太平军西王萧朝贵、翼王石达开奉洪秀全之命，率五千先锋部队，从醴陵方向向长沙扑来。9月11日，突破长沙城外石马铺防线，全歼守军近千官兵。驻守金盆岭的清军不战而逃。次日，太平军转攻黄土岭，清军溃退回城。因丢失数州县被革职，但尚未卸任的巡抚骆秉章，火速下令紧闭城门。太平军将大营扎在林木葱郁的妙高峰上，占领西湖桥和金鸡桥，控制坚固民房和制高点，并立即构筑炮台，加紧攻城布署。
此时，接任骆秉章巡抚职位的张亮基，刚卸下云贵总督之职，还正奔走在昆明至长沙的路上。骆秉章当官二十来年，第一次遇到这样的大仗，岂敢松懈，不得不照旧履职。他知道：如果在张亮基到达长沙之前，长沙城被太平军攻破了，自己的脑袋就难保了。如今，城内的兵力，老弱病残全算起来，不过八千人，已来援的陕西候补知府江忠源的楚勇虽精良善战，却只有五百人。善化知县王葆生提议：将全城十五至五十岁的男子都招集起来，打开府库，发放刀枪和银钱。这一天，接替余万清的新提督鲍起豹，一大早就来到城隍庙，求得了一个上上吉签。他向骆巡抚献上一个奇策：令百名兵士将城隍庙菩萨抬到南门城楼上，面对妙高峰，点上香烛，鞭炮一鸣，他带领将士跪拜磕头，求菩萨老爷施展法力，消灭长毛（指太平军）。
在太平军扎营妙高峰当日，萧朝贵、石达开、罗大纲、林凤祥、李开芳等人，便商定好了攻城的策略。次日下午，李开芳等人率领三千人，分别从南门、浏阳门、小吴门、金鸡桥等处，不断向城内投射火箭、火弹，场面十分激烈，打得守军防不胜防，城中四处起火，百姓惊恐万状。城内的清军士兵全部上了城墙，一些青壮年百姓也派上了战场，全力阻击太平军爬上城来。但太平军并未登城，到天黑时，太平军停止轰击，而刘代伟的一百五十名土营兄弟，从南门到小吴门一带的城墙下，有五处正在紧张地挖洞，准备安放地雷、火药，炸开城墙，而城墙上的守军对此却一无所知。
次日早晨六时左右，太平军的军号骤然吹响，随之战鼓四起，火炮齐发，五千将士正式发起攻城。从南门到小吴门一带的城墙外壁上架起了无数云梯，太平军士兵手持大刀，像猿猴般爬了上去，却一个个被守军砍倒，摔了下来。在南门一处云梯上，却有一个太平军士兵爬上了城头，只见他一路挥刀飞杀去，来到城楼，靠近城隍菩萨，迅速从背上取下两个装满清油的大竹筒，将油泼到菩萨身上，正好捡到一个飞上城楼的火弹，扔向菩萨，霎时大火轰然而起，烈焰腾空，瞬间，城楼也烧起来了，清兵目瞪口呆，城外的太平军将士欢声雀跃。正在此时，城墙脚下响起一阵阵闷雷般的爆炸声，五处城墙下的开挖点都炸响了，有三处的口子不大，清兵很快就将它堵住了。靠近小吴门炸开了两个三四丈宽的口子，林凤祥一声号令，上千太平军士兵一阵呐喊，涌向洞口，与堵洞清兵刀矛交错，相互撕杀，顿时尸横洞口内外，血染城砖。有几百名太平军已冲入城内，城外的太平军将士都涌向这里。正在此时，清军的救兵赶到，由云南楚雄协副将邓绍良率领的三千镇筸兵，从城外向太平军阵营冲杀过来，双方一场激战，太平军一时未摸清援军来自几个方面，担心被围，于是萧朝贵传令收兵，邓绍良领兵扫杀一阵后，冲进城内。
战事暂停，攻守双方都进入了休整阶段。不久，清廷遣调的援军将领相继赶来长沙，如绥宁镇总兵和春、贵州镇远镇总兵秦定三、河南河北镇总兵王家琳、副都统衔头等侍卫开隆阿等，包括一路尾追太平军而来的广西提督向荣的部队，长沙城里增加了四五千兵力。此时，新到任的巡抚张亮基如入蒸笼，他日夜寻思：如何筹集银两，稳定军心，拢络人心，寻求作战对策。
一天，巡抚张亮基巡视城内市井，来到东正街尾，会见了来援的陕西候补知府江忠源，在商讨战事时，江忠源坦陈了自己的看法，具体分析了守城清军前段失利的原因，进而提出了下步作战建议。他指着挂在墙上的长沙地形图说：城南天心阁，乃长沙城的另一制高点，此处当布置强大火力，控制南门外。长沙城内那座五千斤重的炮王，须在近日内移来。天心阁对面为蔡公坟，与天心阁对峙，可以屏蔽东南两面。此处即孙子所谓的“争地”，妙高峰亦为争地，惜已被长毛占去，此处再不能丢了……张亮基听罢，表示完全赞同，心想：难怪江忠源带兵打仗，早享威名。
两人谈得投机，江忠源向张巡抚推荐左宗棠来。说到左宗棠，当时湖南士人中流传着湖南有“三亮”的说法，称为老亮、小亮、今亮，今亮即指左宗棠，说他军事才能称得上是如今的诸葛亮。江忠源说左“虽只有举人功名，却是人中之龙”。又说“当今天下纷扰，正是此人建功立业之时”。其实，张亮基对左宗棠的才名早有所闻，他一到长沙，就有胡林翼等来信竭力推荐左宗棠，张亮基当着江忠源的面表态“礼聘左宗棠”。江忠源说：“左宗棠为人耿介高傲，金帛难动”。最后两人设计将左宗棠从湘阴老家调来长沙，为救时局，左宗棠答应试行相处，便加入了张亮基的幕府。
左宗棠不愧是足智多谋之士，一天，张亮基对他说：“库银所剩无几，朝廷的饷银又一时来不了，如果断饷，军心就会涣散，如何是好？”左宗棠沉思片刻，想出一条无奈之计：找富商借钱。但是这些阔老们的钱也不是随便抠得出来的，于是他在巡抚衙门设上鸿门宴，请来长沙首富黄冕、普济药店贺瑗、利生绸缎铺孙观臣、十里香酱园欧阳兆熊四人。席间，张亮基以软配合左宗棠待客，左宗棠却采取软硬兼施的策略，向他们力陈长沙城破否，对他们的财产与性命的相关结果，同时安排一队威严的持刀军士守在宴会厅门口，先表态捐银的，备轿相送，对没有表态的继续敬酒，搞得阔老们个个象吞下了钓鱼钩无法脱身，一个个不得不表态：“为保长沙城尽力”。这一次一共筹集十二万两银子，张亮基喜出望外，解了燃眉之急，更十分器重左宗棠的机智。
十月初，太平军北王韦昌辉、正丞相秦日纲奉天王洪秀全之命，率领一万余人马，兼程赶到长沙南门外。萧朝贵、石达开、韦昌辉、秦日纲等人商量，决定发动一次全面进攻。
守军方面，经过江忠源、左宗棠等人的重新部署，防守更加严密。岳麓书院、城南书院一部分士子也持刀上了城墙。江忠源的楚勇占驻天心阁下城外的蔡公坟制高点。天心阁上早有广西提督向荣驻守，前日，向荣部已将草潮门城楼上的五千斤大炮抬到天心阁上，将南城外一线的民房全部轰毁，使太平军失去掩护场所，不便靠近城墙，并加强城上的巡逻，严密监视城外动静，防止太平军再次在城下挖洞。
太平军这次在城墙下较远距离的隐蔽处挖地道，直通城内，这一动作，守军很难察觉。同时，他们吸取上次登城的教训，准备了一些特殊武器。这天清晨，太平军一万五千人马向长沙城发起猛进攻，在密集的炮火的掩护下，东起小吴门，西到小西门这一线的城墙外，士兵们架起云梯，正在奋力登城。天心阁上，五千斤大炮的强大火力不断地射向太平军阵地，如发现城墙脚下有人，城上就向下砸石块，在这一片区域，太平军没有占到上风，无法靠近城墙。在其它地方的多个云梯上，太平军接连登城成功，他们在快到城顶时，向城上抛出系绳的铁勾，挂住城头的清兵，用力往下一拖，清兵一声惊呼，摔了下去。太平军士兵抽出刀来，杀上城去。一些清兵见势不妙，纷纷逃避。就这样，不到两个时辰，有几段城墙被太平军占领。
在南门西侧，一处地道已挖到城墙下，突然一声巨响，城墙炸开了一个大缺口，太平军一队士兵冲进城内，直奔天妃宫，正遇上在此作乐的邓绍良等人，幸邓绍良自逃，其他人均毙命。正在此时，南城魁星楼旁的城墙下又一声巨响，城墙上炸开了一个五丈多宽的口子，清兵慌了手脚，纷纷往城内奔逃，左宗棠闻讯跨马奔来，大声喝令士兵返回堵洞，但无人止步，因为谁也不认识他，左宗棠急令卫兵抓了几个为首逃兵，就地斩首，这才将他们镇住。左宗棠命令将油桶和火药抛向洞口，一点火，顿时形成一道火墙，城外的太平军见势，只得分小股冲锋入城，左宗棠又急令赶紧用石块填堵，并当场口头公告：不管是谁，向缺口抛石一块，赏钱一千文。一时间，石块从各处飞来，砸死砸伤太平军兵士无数，其中也有与太平军搏斗的清兵被砸。一个卫兵向左宗棠报告说：我们的人也砸死了许多，请求师爷停抛石块。左宗棠怒喝：“胡说！”
此时，天心阁下，萧朝贵正冒着炮火和飞石，跨马在前，执旗指挥登城。突然，空中一声炮响，炮子如雨飞来，他只觉脑袋象被雷电轰然一击，两眼一黑，从马背上滚了下来，卫兵们急忙将他扶起，只见他满头血流如涌，咀角微微颤抖，说不出话来，士兵们立即将他抬到后方。城墙上的清兵见到这种情形，狂呼起来，大喊：“打死萧朝贵了！”消息一传开，正在进攻的各路太平军士兵，顿时乱了阵脚，清兵士气大振，乘机发起猛攻。石达开见状，急令鸣金收兵，已入城的太平军士兵不得不从缺口冲出城来。
10月17日，翼王石达开率领三千人马渡过湘江，留五百人埋伏在水陆洲上，并从猴子石搭浮桥至河西，使东西两边连成一体，然后占领龙回潭、阳湖、岳麓山和溁湾镇一带，控制了通往宁乡、湘乡的大路，赢得了军事上的主动权。消息传到城内，巡抚衙门又是一阵惊慌。张亮基连夜与左宗棠商讨对策，首先令向荣率三千清兵从朱张渡过浮桥，直奔水陆洲，截断太平军东西两岸的联络。太平军却埋伏在洲南林中，设下火攻阵，只等清军前来。向荣深入林中，便陷入伏击，大部分清兵被烧杀至死，向荣在卫兵的保护下逃脱，狼狈不堪。与此同时，绥宁总兵和春与河南河北总兵王家琳各率两千人马渡江，从南北两向包抄太平军，遭到石达开部的拼命阻击，十多次进攻均被打退，在争夺江中浮桥时又淹死几百人。
左宗棠站在天心阁上，目睹水陆洲烟火腾空，估计情况不妙，又闻报三路人马全部败北，长叹天不助人，心里骂道：“这群饭桶，哪里这样不中用！”
至此，太平军来长沙城外已有八十一天，久攻不克，而清廷的援军不断增加，正在准备合围太平军，意在将其歼灭于长沙城下。于是，太平军审时度势，于十一月底撤出长沙，长驱北进。长沙城成为太平军入湘征战以来唯一没有攻克的城池。