טיטוס הציב גדודים של חיל העזר במורד ההר, כדי למנוע גיחות פתע נוספות של המורדים, והורה ללגיון להמשיך בעבודות להקמת המחנה. אולם המורדים תקפו שוב בשעות הצהריים עם מספר רב של לוחמים, והצליחו להבקיע דרך כוח האבטחה ולהניס בשנית את חיילי הלגיון במעלה ההר. טיטוס, שנמצא בזירת הקרב עם משמר ראשו, מצא עצמו מכותר ומנותק מכוחותיו העיקריים. לפי יוסף בן-מתתיהו, חיילי הלגיון העשירי, שזיהו את הסכנה בה נמצא מפקדם העליון ובושו בכך שנטשו אותו, התאוששו מהבהלה שאחזה בהם וחשו לעזרתו, כשהם הודפים את כוח המורדים חזרה במורד נחל קדרון.
מאבקים פנימיים בירושלים.
פלגי המורדים שראו שהצבא הרומי אינו מתכוון לתקוף את ירושלים באופן מיידי, המשיכו את המלחמה הפנימית על השליטה בעיר. לרגל חג המצות, נתנו אנשי אלעזר בן שמעון אפשרות כניסה המונית אל המקדש, כדי לאפשר את הקרבת הקרבנות. יוחנן מגוש חלב מצא בכך הזדמנות כדי להשתלט על תחום בית המקדש. לוחמיו הצליחו להיכנס אל תוך בית המקדש, כשהם מתערבים בין המון עולי הרגל ומסתירים את כלי נשקם תחת בגדיהם. בפנים המקדש הצפוף הם שלפו את כלי נשקם, תקפו את לוחמיו של אלעזר וטבחו בהם כמו גם בהמון העם שנרמס והוכה בתווך. אנשיו של אלעזר בן שמעון נמלטו אל המחילות שתחת העזרות, ויוחנן תפס את השליטה במקדש ובכך השלים את השתלטותו על שטח הר הבית. לאחר מכן ניתנה הרשות לאנשיו של אלעזר בן שמעון לצאת מהמחילות בלא שיפגעו בהם. כך הם נאלצו בלית ברירה לקבל את מרותו של יוחנן מגוש חלב והצטרפו לכוחותיו.
ההכנות הרומיות למתקפה על ירושלים.
לאחר שערך סיור מסביב לחומות ירושלים, החליט טיטוס לתקוף את העיר בגזרה הצפון-מערבית שלה, שם פני הקרקע היו די ישרים ונוחים, וביצורי העיר (החומה השלישית) חלשים יחסית. לשם כך הוא נדרש להעביר את כוחותיו העיקריים מאזור הר הצופים אל האזור שנבחר למתקפה.
במסגרת ההכנות למתקפה, החל צבאו בעבודות ליישור פני השטח סמוך לחומות ירושלים מהר הצופים מערבה, במקביל לחומה הצפונית של העיר. העבודות נועדו הן לצורך הכשרת הקרקע לקידום מכונות המצור אל החומות, והן כדי לשלול מהמורדים כל מקום מסתור אפשרי מחוץ לחומות, מה שאִפשר להם עד לשלב זה לערוך גיחות נגד הכוחות הרומיים, כשהם עוברים דרך מחילות שנחפרו תחת לחומה. כך תיאר יוספוס את המלאכה: "הגדרות והמחיצות שהקימו תושבי המקום להגנת הגינות ומטעי העצים – נעקרו כליל, עצי הפרי שהיו שם – נכרתו, השוחות והערוצים שבאֵזור – נאטמו, הסלעים הבולטים – נותצו בכלי ברזל, והשטח כולו יושר מהר הצופים עד מצבת הזיכרון של הורדוס הסמוכות לבריכה הנקראת 'בריכת הנחשים'". עבודה מאומצת זו ארכה ארבעה ימים.
לאחר שהושלמו עבודות ההכנה העביר טיטוס שלושה מהלגיונות שלו מהר הצופים לאזור שמצפון-מערב לעיר. תנועת כוחותיו נעשתה בצורה מאובטחת, בחסות כוחות חזקים של רגלים, פרשים וקשתים, שנערכו סמוך לחומות ירושלים, ואפשרו לשיירת המטען של הלגיונות להגיע בבטחה למיקום החדש של מחנות הלגיונות, מבלי שיוטרדו על ידי גיחות המורדים. טיטוס הקים עם שניים מהלגיונות שלו (ה-5 וה-12) מחנה מבוצר מול הפינה הצפון-מערבית של החומה ("מגדל פספינוס"). לגיון נוסף (ה-15) הקים מחנה סמוך לנקודת החיבור בין החומה הראשונה והחומה השלישית (באזור מגדל דוד של ימינו), ואילו הלגיון העשירי נותר במחנהו המקורי על הר הזיתים.
במקביל שלח טיטוס את יוסף בן מתתיהו להציע ליהודי העיר להיכנע ולקבל את חסותו, אך ההצעה לא נענתה.
הצעות הכניעה היו תופעה חוזרת ונשנית במהלך המצור על ירושלים. גרשון בר-כוכבא מציין כי בקרבות אחרים שנערכו במהלך דיכוי המרד, כמו במצור על יודפת, לא הוצעה למורדים אפשרות כניעה. לדעתו, הסיבה לכך היא הערכת הרומאים כי כיבוש העיר יקשה עליהם ויגבה מחיר של נפגעים רבים. בר כוכבא מעלה סברה כי הצעות הכניעה נועדו גם ליצור חילוקי דעות ופילוג בקרב המגִנים ותושבי העיר, ובכך לפגוע בעוצמת התנגדותם.
בעוד הרומאים עסוקים בעבודות יישור הקרקע מחוץ לחומות ירושלים, טמנו להם המורדים מלכודת מוצלחת. הם יצרו מצג שווא, כאילו סיעה שוחרת שלום בתוך העיר השתלטה עליה, וגרשה מתוכה את הקנאים תומכי המרד. קבוצת יהודים יצאה אל מחוץ לחומה הצפונית, דרך שער ב"מגדלי הנשים", ואילו קבוצה אחרת עמדה על החומה, והזמינה את הרומאים להיכנס אל העיר, תוך שהיא מיידה אבנים אל הקבוצה שמחוץ לשער. אנשי הקבוצה הראשונה העמידו פנים כמתחננים שיפתחו להם את השער ויאפשרו להם לחזור לעיר "מפחד הרומאים". כוח רומאי שצפה במחזה התפתה (לפי תיאורו של יוסף בן מתתיהו, בניגוד להוראתו של טיטוס) לנצל את ההזדמנות לכיבוש מהיר של העיר, והתקרב ממש עד לחומה. הוא הותקף על ידי כוח גדול של מורדים שהגיח מהשער, בעוד המורדים שעל החומות מיידים עליו אבנים ובליסטראות. הכוח הרומאי ספג אבדות כבדות. שרידי הכוח המותקף נסו צפונה, לכיוון המחנה הרומאי, בעוד המורדים רודפים אחריו עד ל"מצבת הילני" (כיום באזור שייח' ג'ראח). לדברי יוסף בן מתתיהו, החיילים המובסים שהצליחו להימלט, היו צפויים לעונש מוות בגלל הפרת המשמעת שלהם וחרפת התבוסה, אך לאחר שחבריהם ללגיון התחננו בפניו לחוס על חייהם, הסתפק טיטוס באזהרה חמורה ובהבטחה מצידם ללחום בעתיד ביתר עוז כדי לכפר על תבוסתם.
תיאור השלב הראשוני של המערכה על ירושלים אצל דיו קסיוס ואצל טקיטוס, שונה באופן משמעותי מהתיאור המופיע אצל יוסף בן מתתיהו. הם אמנם לא מזכירים תקריות ספציפיות, כגון גיחות המורדים כנגד מחנה הלגיון העשירי בהר הזיתים, אולם כותבים שלמצור הרומי על העיר קדמו שורת התנגשויות צבאיות, שהסתיימו בתחילה ללא הכרעה ברורה, בין כוחות המורדים, שנערכו לפני חומות ירושלים, לבין הצבא הרומי (לפי טקיטוס, מהצד הרומי השתתפו בעימותים אלו בעיקר רגלים קלי חימוש ופרשים). בסופו של דבר גברה ידם של הרומאים, והמורדים היהודיים, שספגו שורת מפלות, נאלצו לסגת בהדרגה אל מאחרי חומות העיר.
המתקפה על החומה השלישית.
כאמור, טיטוס תכנן לתקוף את החומה השלישית של ירושלים מכיוון צפון-מערב, סמוך למצבת הקבר של יוחנן הורקנוס. לפי תיאורו של יוסף בן מתתיהו, אגריפס הראשון הספיק להניח רק את היסודות של חומה זו, לפני שנאלץ להפסיק את מלאכת בניית החומה, והקמתה הושלמה בחופזה על ידי המורדים לאחר גירוש הרומאים מירושלים. לכן ביצוריה לא היה חזקים כחלקים האחרים של חומת העיר. בנוסף, התנאים הטופוגרפיים באזור זה היו נוחים יותר להתקרבות עד החומה, בניגוד לחומה הראשונה, החומה המזרחית של הר-הבית וחלק קטן מהחומה השלישית, במזרח העיר, שהיו מוקפים גאיות (נחל קידרון וגיא בן-הינום) ומורדות תלולים. עם זאת, גובהה של החומה השלישית היה למעלה מ-10 מטר, רוחבה ביסודותיה כ-5 מטר, והיא כללה מגדלים רבים (במרווחים של כ-100 מטר זה מזה) שהתנשאו לגובה של כ-10 מטר נוספים מעל גובה החומה, כך שהבקעתה לא הייתה משימה פשוטה.
לאחר הבקעת החומה השלישית, תכנן טיטוס לפצל את כוחותיו: כוח אחד נועד לפנות ימינה, אל החומה הראשונה, להבקיע אותה, ולהשתלט על העיר העליונה, ואילו הכוח השני נועד להתקדם מזרחה אל מצודת אנטוניה, דרך שכונת בית-זיתא, לכבוש אותה ולחדור דרכה אל מתחם הר הבית.
גובהה הנישא של החומה השלישית הִקְשה על מכונות הירי הרומיות לפגוע במגינים שעליה, ולמנוע מהם לסכל את מאמצי ההבקעה של החומה, ולא אפשר לליגיונרים להגיע אל ראש החומה באמצעות סולמות טיפוס. לכן פקד טיטוס, כצעד מקדים למתקפה על החומה, להגביה את משטח הלחימה שלפניה באמצעות סוללות עפר, עליהן ניתן יהיה לקדם את מגדלי המצור ואילי הברזל אל החומה, ולהעמיד את הסולמות. על המלאכה הופקדו הלגיונות ה-5, ה-12 וה-15 על פי חלוקת עבודה מוגדרת. הם סיפקו חיפוי ואבטחה לעבודות ההקמה של הסוללות באמצעות חיל רגלים וקשתים, שהוצבו במרווחים בין הסוללות, ומכונות ירי, שכללו קטפולטות ובליסטראות. כוחות האבטחה נועדו למנוע גיחות של קבוצות מורדים, לפגוע במגִנים היהודים שעל גבי החומה ומאחוריה, ולמנוע מהם לשבש את ההכנות למתקפה הרומית.
למרות הירי המאסיבי של מכונות המצור הרומיות, המשיכו המגינים היהודיים ללחום מעל החומה ואף לערוך גיחות כנגד הכוחות הצרים. שמעון בר גיורא העלה על החומה את מכונות הירי שלקח שלָל במהלך השתלטות המורדים על ירושלים והמרדף אחרי צבאו של קסטיוס גאלוס, והשתמש בהן על מנת לשבש את עבודות ההקמה של הסוללות. לפי יוסף בן מתתיהו, המורדים, שלא היו מנוסים בהפעלת המכונות, נעזרו בעריקים מהצבא הרומי כדי ללמוד איך להשתמש בהן, אולם עדיין לא הצליחו להפיק מהן את המיטב, ולכן לא הצליחו לגרום נזק משמעותי לרומאים. בנוסף לכך, הרומאים השתמשו במקלעות נצרים ("וינאה") כדי להגן על העובדים בהקמת הסוללות. בצד הרומאי, לעומת זאת, הצליחו מכונות הירי לגרום אבדות כבדות למגיני החומה. מכונות הירי של הלגיון העשירי, לדוגמה, יכלו להעיף קליעים במשקל כ-26 ק"ג למרחק של עד כ-370 מטר.
הבקעת החומה.
אחרי שהושלמה מלאכת בניית הסוללות, קידמו הרומאים את מגדלי המצור, שבהם היו מותקנים אילי ניגוח, אל החומות, והחלו לנגח אותן. בשלב זה התאחדו פלגי המורדים, הפסיקו את המלחמה ביניהם והתמקדו במערכה מול הכוחות הרומיים הצרים. יוחנן שלח לוחמים לתגבר את כוחותיו של שמעון. כוחות המורדים ניסו להצית את מכונות המצור הרומיות באמצעות השלכת לפידים מהחומה, תוך שהם פוגעים בחיילים המפעילים אותן. הם אף ערכו גיחות בקבוצות גדולות אל מחוץ לחומה בניסיון להרוס את מכונות המצור, ותעוזתם העניקה להם הצלחה ניכרת.