三河镇位于界河（今丰乐河）南岸，东濒巢湖，是庐州西南的重要屏障。该镇原无城垣，太平军占领后，新筑了城墙，外添砖垒9座，凭河设险，广屯米粮军火，接济庐州、天京，因而在军事上、经济上都居重要地位。当时太平军的守将是吴定规。10月24日，陈玉成在江苏六合接到湘军大举东犯安徽的报告，毅然决定回兵救援，并向洪秀全报告，要求调派李秀成部同往。

11月3日，李续宾率精兵6000进抵三河镇外围。11月7日，分兵三路向镇外9垒发起进攻，义中等六营进攻河南大街及老鼠夹一带之垒；左仁等三营进攻迎水庵、水晶庵一带之垒；副右等二营进攻储家越之垒。李续宾则亲率湘中等二营为各路后应。太平军依托砖垒顽强抵抗，大量杀伤敌人。湘军攻垒愈急，太平军伤亡很大，便放弃镇外9垒，退入镇内，坚守待援。

在湘军大举进攻三河镇外围的当天，陈玉成率大队赶到，驻扎在三河镇南金牛镇一带。11月14日，李秀成也率部赶到，驻于白石山。至此，集结在三河镇周围的太平军众达10余万人，和李续宾部湘军相比占绝对优势。

面对太平军援军的强大气势，李续宾的一些部将十分胆怯，建议退守桐城。骄悍的李续宾一意孤行，认为军事有进无退，只有死战，并于11月15日深夜派兵7营分左、右、中三路偷袭金牛镇。16日黎明，当行至距三河镇7．5公里的樊家渡王家祠堂时，与陈玉成军遭遇。陈玉成抓住敌人冒险出击的有利时机，以少部兵力正面迎敌，吸引敌人，另以主力从湘军左侧抄其后路。正面迎敌之太平军且战且走，将敌人诱至设伏地域。当时，大雾迷漫，咫尺莫辨，鼓角相闻，敌我难分。陈玉成主力迅速击溃了左路湘军，并乘胜隔断中、右路之后路。湘军发现归路被断，仓皇后撤，在烟筒岗一带被太平军团团包围。

李续宾得知大队被围，急忙亲率4营前往救应，反复冲锋数十次，也未能突入重围。驻扎于白石山的李秀成部，闻金牛镇炮声不绝，立即赶往参战；驻守三河镇的吴定规也率部出镇合击湘军。李续宾见势不妙，逃回大营，并传令各部坚守待援。其实这时守垒的湘军有的已经逃散，有的被太平军阻截在外，因而有7个营垒被太平军迅速攻破。接着，李续宾的大营也被太平军包围。他督军往来冲突，终不得脱，当夜被太平军击毙（一说自杀）。之后，太平军继续围攻负隅顽抗的残敌，至18日，全部肃清。这一仗，太平军一举歼灭湘军精锐近6000人，是太平天国革命战争后期一次出色的歼灭战。