安禄山叛军得知睢阳无法找到外援后，加强了攻势。张巡、许远认为睢阳是一道屏障，为了防止弃城后敌军直捣江淮，同时也因为将士们饥饿行军无法到达目的地，于是放弃撤退，决定死守睢阳。十月初九，燕军再次攻城，睢阳守军伤病饥饿交加，无力作战。张巡向西叩拜说如今睢阳无法再保全了，自己虽然不能活着去告诉皇上，但可以死后变成厉鬼继续杀反贼。随即城池被攻破，张巡与许远一起被俘。张巡的将士见到他，都起立而哭，张巡劝慰大家人终有一死，不要畏惧。大家都无法仰面正视他。尹子奇问张巡何至于督战时到了目眦欲裂、咬碎牙齿流血的地步，张巡回答自己只是想要用正气消灭敌军，却力不从心罢了。尹子奇大怒，用刀撬开他的嘴，发现只剩三、四颗牙齿。张巡则大骂尹子奇作为叛军不如猪狗，自己则是为了君主。尹子奇佩服他的气节，想要释放他。有人说告诫尹子奇，张巡是忠义之士，即使放过他他也不会为燕军所用。于是尹子奇以刀胁迫张巡投降，张巡不屈服。尹子奇又逼迫南霁云投降，南霁云未应声。张巡大声呼叫南霁云不可向不忠不义之人投降。南霁云回答张巡自己为了有所作为，不怕一死。南霁云也不肯投降。张巡最终与姚门言、雷万春等三十六人一同遇害，享年四十九岁。 张巡死后三日，中书侍郎张镐带救兵赶到，命中书舍人萧昕为张巡做悼词。唐肃宗下诏书，追封张巡为扬州大都督，许远为荆州大都督，并对他的子孙加以恩宠。睢阳、雍丘免徭役税收三年。张巡之子张亚夫被任为金吾大将军。另外，在睢阳为张巡立庙，每年按时祭祀。德宗为至德以来的将相功绩显著者安排等级次序，以颜杲卿、袁履谦、卢弈及张巡、许远、南霁云为上等。贞元年间（785年~805年），又给张巡的另一子张去疾、许远之子许岘赐官。追封张巡之妻为申国夫人，赐绸百匹。唐宣宗大中年间（847年~859年），画张巡、许远、南霁云之像于凌烟阁。睢阳设立了张巡与南霁云的祠庙，享受香火。
