สมเด็จกรมพระยาดำรงราชานุภาพทรงจัดการเสียกรุงศรีอยุธยาครั้งที่สองไว้ 4 ขั้น ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็นการปล้นหัวเมืองรอบนอก และปฏิบัติการปิดล้อมกรุงศรีอยุธยา โดยพระองค์ทรงวิเคราะห์ข้อมูลจากหลักฐาน คำให้การชาวอังวะ และพงศาวดารกรุงศรีอยุธยาที่ชำระขึ้นในสมัยธนบุรีและรัตนโกสินทร์ตอนต้น

ขั้นที่ 1-2: การรบหัวเมืองรอบนอก

สงครามเริ่มขึ้นเมื่อเดือน 7 พ.ศ. 2308 เนเมียวสีหบดีส่งฉับกุงโบคุมกำลัง 5,000 นาย ยกมาทางเชียงใหม่ ด้านมังมหานรธาก็ส่งเมชะระโบคุมกำลัง 5,000 นาย ยกมาทางด่านเจดีย์สามองค์ กองทัพฉับกุงโบยกล่วงมาจนตั้งค่ายที่เมืองนครสวรรค์และเมืองกำแพงเพชร ส่วนกองทัพเมชะระโบรบชนะกองทัพของพระพิเรนทรเทพที่กาญจนบุรี ยกล่วงมาจนถึงตำบลลูกแก ตำบลตอกละออม และตำบลดงรักหนองขาว

ปฏิบัติการขั้นที่ 2 เริ่มในเดือน 12 พ.ศ. 2308 เนเมียวสีหบดีส่งทัพใหญ่เข้ามาทางเชียงใหม่ ตีได้พิชัย สวรรคโลกและสุโขทัย แต่มิได้ตามไปตีพิษณุโลก ส่วนมังมหานรธาก็ส่งทัพใหญ่มาทางทวาย แบ่งกองทัพออกไปสอง กองหนึ่งแยกไปทางนนทบุรีและธนบุรี อีกกองหนึ่งไปทางสุพรรณบุรีมาตั้งค่ายที่บ้านสีกุก ประมาณเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2309

ในช่วงนี้ พม่ายังคงล้อมกรุงศรีอยุธยาอยู่ห่าง ๆ แต่ได้ส่งพลออกปล้นสะดมตามพื้นที่ต่าง ๆ มีเหตุการณ์สำคัญเกิดขึ้น คือ วีรกรรมชาวบ้านบางระจัน พม่ารบชนะกองทัพของพระยาพระคลังจนเคลื่อนมาตั้งค่ายที่โพธิ์สามต้น และเกิดการปะทะกันประปรายกับกองทัพกรมหมื่นเทพพิพิธ

ขั้นที่ 3-4: ปฏิบัติการปิดล้อมกรุงศรีอยุธยา

เมื่อฤดูน้ำหลากมาถึง มังมหานรธาไม่ถอนทัพกลับ ตระเตรียมการเพื่อรับมือกับน้ำหลากท่วมกรุงศรีอยุธยา แต่มังมหานรธาเสียชีวิตลงในเวลาไม่นานนัก เนเมียวสีหบดีสั่งให้การปิดล้อมกรุงเข้มงวดขึ้น แต่ทหารอยุธยากับทหารพม่ายังปะทะกันด้วยการยิงปืนใหญ่เท่านั้น ครั้นถึงเดือน 12 พ.ศ. 2309 พม่ายกกองเรือมาทางทิศตะวันออกของตัวเกาะ ในกรุงส่งพระยาเพชรบุรีกับพระยาตากออกรับ แต่ก็ไม่สำเร็จ พระยาตากไม่ยอมกลับเข้าพระนครอีก แต่ตีฝ่าพม่าไปทางตะวันออกเมื่อน้ำลด

ย่างเข้าปี พ.ศ. 2310 ในกรุงเกิดความระส่ำระสายกันดารอาหารอย่างหนัก พม่าตีค่ายป้องกันพระนครนอกกรุงได้ทั้งหมดและยิงปืนเข้ามาในกรุงทุกวัน กรุงศรีอยุธยาส่งทูตขอเลิกรบก็ไม่ยอม ทหารอยุธยาก็ทำการรบอย่างแข็งขันด้วยจวนตัว พม่าจึงเปลี่ยนมาใช้วิธีขุดรากกำแพงทางตะวันออกเฉียงเหนือ กระทำการสองครั้ง จึงตีกรุงศรีอยุธยาแตก เมื่อวันที่ 7 เมษายน พ.ศ. 2310