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1841年(清道光二十一年) 2月10日，道光帝因伊里布未能及时收复定海，命其回任两江总督，派江苏巡抚裕谦为钦差大臣，驰赴镇海，主持浙江军务。
2月24日清军收复定海，裕谦亲赴定海，勘察地形，采取措施，加强防务。定海城三面环山，前有稻桶山、东岳山为屏障，左右有晓峰、青垒诸山为辅翼，形势颇为险要。裕谦督令守军于东岳山顶筑城一座;于青垒山经道头至竹山脚，沿海岸横筑土城一道;并在青垒山、晓峰岭等山择要安设炮位。至英军再次侵犯前，定海城周各山及土城上共有铜铁大炮22门，城垣周围共有大小炮40门，另拨给兵船铁炮10门。守军总数增至5600人，由三个总兵分段负责防御：郑国鸿防守竹山;王锡朋防守晓峰岭;葛云飞防守土城。此外，在镇海、定海等地招募水勇1200名，并造买各种船只百余艘。当获知厦门失守及英军继续北犯后，裕谦又令浙江各地于炮台四周挖壕，并增设铁蒺藜、木栅等障碍物，以加强防御。
9月23日，英军到达舟山附近海面，接着于舟山、镇海一带探测航道，侦察清军设防情况。26日，英舰窜入竹山门窥测，被葛云飞自土城发炮击断其头桅而退去，后该舰又绕入大渠门，复被守军击退。28日，敌舰“摩底士底”号、“哥伦拜思”号及“复仇神”号，攻打晓峰岭下一座尚未竣工的石头炮台和一个有壕堑的坚固军营，开炮达三四百发。清军隐伏石岩中，并无伤亡。接着，“摩底士底”号船长爱尔斯及“哥伦拜思”号船长葛长，率领大约50名士兵，偷偷由竹山门登陆，被郑国鸿督兵击退。当天傍晚，英军绕至定海城南登陆，占据五奎山，并架设大炮3门。30日，英军连续攻打东港浦、晓峰岭、竹山等处，均被清朝守军击退。
10月1日上午，英国侵略者用舰舷炮轰击定海前沿阵地，占据五奎山的英军也发炮配合。随后，英军利用大雾天气，在炮火掩护下，分左右两个纵队，强行登陆。左纵队大约1500人，由第五十五团和第十八团组成，在道头港以西至竹山一带登陆，进攻竹山和晓峰岭。清军在王锡朋、郑国鸿指挥下，进行了顽强抵抗，击退了敌人多次进攻。战斗进行得非常激烈。王锡朋，郑国鸿先后殉国，竹山、晓峰岭终被敌人占领。右纵队由第四十九团、水兵和海员组成，进攻东港浦，并仰攻关山炮台。葛云飞督兵回击。英军从三面用炮夹击关山炮台，葛云飞率所部200余人与敌人进行了激烈的战斗。最后葛云飞壮烈牺牲，其部下也都英勇地殉国。由于清军连日苦战，伤亡甚众，加之得不到镇海清军的支援，定海城于当日下午2时陷入英军的包围。接着，英军登云梯入城，知县和守军被迫撤离县城，定海再次被英军占领。城中大量物资包括新铸造的36门铜炮落入敌手。
第二次定海之战，清军官兵坚守阵地，顽强御敌，表现了高度的爱国热情。但清军组织指挥上存在严重失误：没有构筑防炮掩蔽工事，致遭重大伤亡;没有构筑第二线防御阵地，以掩护县城，造成第一线防御阵地被突破后，县城立即暴露在敌人面前;更没有考虑到前沿阵地和县城失守后的作战方案，没有第二手准备，且在武器装备处于劣势的情况下，仍单纯地依靠阵地战同敌人硬拼，结果使将士大部阵亡，兵溃城陷。定海城的很快沦陷，使英军得以迅速转移兵力进犯镇海等地。