出的援军携带大炮到了济南城外。朱棣以重兵围城，又用大炮轰击城墙，眼看就要将城墙轰塌，铁铉将太祖朱元璋的画像悬挂在城头，又亲自书写了许多朱元璋的神主灵牌，分置于城墙垛口。朱棣见此情形，生怕背上不孝之名，只得下令燕军不得以大炮轰击城墙，济南城因此得以保全。
朱棣虽然不敢用大炮轰击城墙，却又不甘心就此撤军，于是在城外挖掘壕沟据守，想要将济南城中的军民困死。铁铉不肯坐守孤城束手待毙，招募死士出城袭扰燕军。趁着燕军军心动摇之际，铁铉和盛庸分领奇兵出城，大败燕军。朱棣虽然恼怒之极，却又无计可施。姚广孝给朱棣写来书信，请他撤围济南，先回北平驻军，再图后举。
朱棣无奈之下，只得率领燕军退回北平。经过数月大战，不只燕军将士对铁铉心生惧意，就连身经百战的朱棣也对铁铉极为忌惮，再也不敢轻易攻打济南城。其后燕军虽然屡次南下，却都绕过济南城，不敢与铁铉统领的兵马交锋。
朱棣退兵之后，铁铉与盛庸合兵，乘胜追击，收复德州诸郡县，兵威大振。济南解围后，铁铉在大明湖设宴，犒赏将士。建文帝派来使者赐金慰劳济南守军，又擢升铁铉为山东布政使，加兵部尚书衔，赞理军事，协助盛庸准备北伐燕军。得以免受战火的济南百姓称铁铉为“城神”，对他极为敬服。
只是后来朱棣用了姚广孝的计谋，带领兵马绕过济南城，直取应天，最终攻破京城。朱棣夺取帝位之后，回兵北上复攻济南，并在河北一带大肆屠杀百姓。到达济南，铁铉死守不肯投降，但终因寡不敌众，城池被攻破。朱棣又设伏兵计擒铁铉，铁铉终于在淮南被俘，被押送到京师，宁死不屈，朱棣狂怒之下，不只将铁铉残杀，又要抄没铁家，将铁铉的妻女投入教坊司凌辱。