1793年的法国发生着巨大变化。仇视法国革命的欧洲各国君主借口法王路易十六被处死，组织了第一次反法联盟军，进攻法国。法军连续的失利、贵族的叛乱及吉伦特派的倒行逆施，引起了法国人民的强烈不满。6月2日早晨，8万名武装的巴黎平民再次向杜伊勒里宫进发，推翻了吉伦特派的统治，雅各宾派建立了代表中、小资产阶级新的革命专政。
1793年7月，盘踞在土伦和南方其他几个城市的王党分子为了推翻雅各宾派专政、恢复波旁王朝，竟然允许反法联军英国和西班牙舰队驶入土伦港，并将拥有30余艘舰只的法国地中海舰队，拱手交给了英国人和西班牙人。此后，其他国家的军队也都相继踏进这个地理位置十分重要的港口。到9月底，土伦的外国军队已经达到14000人。这一情况犹如晴天霹雳震惊了整个法国。为了捍卫新生的革命政权，打退国内外反革命势力的猖狂进攻，革命政府颁发了全国总动员法令，动员人民起来扫除叛乱、抵御侵略。没多久，两支大军便开赴土伦前线，一场著名的围攻战开始了。
围攻最初是由不中用的纨绔子弟卡尔托担任指挥。卡尔托过去是个画家，不谙军旅之事，战事屡屡失败，战绩极为不佳，炮兵指挥多马尔坦也在围攻战中受伤致残，收复土伦的前景十分黯淡。9月中旬，由于萨利切蒂的推荐，拿破仑到达土伦前线担任土伦围攻部队的炮兵指挥官。
拿破仑一到这里就立即投入紧张的工作。他很快发现这里的炮兵形同虚设，既无足够的火炮，又无充足的弹药，只有几门破破烂烂的野炮和臼炮。士兵们没有起码的素养，也没有经过认真的训练，他们既不会使用火炮，也不懂得如何修理。更可笑的是，他的上司卡尔托竟缺乏炮兵方面的基本常识，对他那少得可怜的几门炮，连射程有多远都一无所知。面对如此状况，拿破仑首先想方设法搜集各种火炮。没多久，便弄到了近百门大口径火炮及大量的弹药。接着，他派专人到里昂和格勒诺布尔等地收集一切有用的军械器材，并在奥利乌尔建立了一个有80名工人的军械工厂。为了解决炮兵的机动和工事构筑问题，拿破仑征用了从尼斯到瓦朗斯和蒙彼利埃一带的马匹，还在马赛安排生产了几万个供修筑炮垒用的柳条筐。
与此同时，拿破仑还仔细地观察了战地，熟悉了每个局部的地貌。最后，他提出了攻陷土伦的作战计划。他认为应该首先集中主要兵力，攻占港湾西岸的马尔格雷夫堡，夺取克尔海角，然后集中大量火炮，猛烈轰击停泊在大、小停泊场内的英国舰队，切断英国舰队与土伦守敌之间的联系，迫使英舰撤出港口。这样，守敌一无退路，二无援兵，三无火力支援，法军只需很少兵力，便可迅速攻占土伦。拿破仑这一大胆而新颖的作战计划，显示了他敏锐的洞察力和丰富的想象力。接替卡尔托的杜戈米埃将军很快批准了这一方案。
这时，英军似乎也认识到马尔格雷夫堡和克尔海角的重要性，竟派出4000人登岸驻守，征用了土伦一切人力来加强防御。英军扬言要把马尔格雷夫堡变成“小直布罗陀”。于是，一个月前还是可以轻易攻取的阵地，如今必须重兵进攻。拿破仑立即着手在小停泊场的北面构筑一个炮兵阵地，准备集中火力攻打马尔格雷夫堡。为了攻敌不备，拿破仑带领士兵用橄榄树枝对阵地进行了巧妙的伪装。因此，敌人对这项工程毫无察觉。
12月14日，对土伦的总攻正式开始。法军使用45门大口径火炮，集中向“小直布罗陀”猛烈轰击。一排排的炮弹掠空而过，飞向联军阵地。“小直布罗陀”顷刻之间变成火海。在法军猛烈炮火的打击下，联军精心构筑的防御工事很快被摧毁。一些地段上的敌人，被迫放弃前沿工事，退守后面阵地。法军用猛烈的炮火整整轰击了两天两夜，直到16日晚，才真正发起冲击。
这天晚上，电闪雷鸣，海风呼啸，大雨滂沱，黑暗和恐怖笼罩着整个战场。午夜1点钟，在杜戈米埃将军的指挥下，法军6000人，从南北两翼开始攻击，直扑“小直布罗陀”。尽管“小直布罗陀”受到法军48个小时的炮击，但在法军进攻时，敌人仍在顽强抵抗。整连整连的法军在黑暗和混乱中迷失了方向。敌人猛烈的炮火使得大批法国士兵倒在血泊里。在几次进攻都被击退之后，法军许多官兵开始有些惊慌失措了，甚至产生了绝望的情绪。就在这关键时刻，拿破仑率领预备队冲了上来。拿破仑身先士卒，冲锋陷阵，他的战马被炮弹击毙，他的小腿被击伤，他仍然坚守岗位，指挥战斗。拿破仑命令炮兵大尉米尔隆率领一个营从一条曲折的小路盘旋上山，出敌不意地从棱堡的后门攻入“小直布罗陀”堡。凌晨3时许，这个营突入“小直布罗陀”炮台，给后续部队打开了个缺口，许多英国和西班牙炮兵还没明白过来是怎么回事，便被法军杀死在大炮上。
法军占领了“小直布罗陀”堡后，立即调转炮口向敌人猛轰。敌人在拂晓前投入预备队反攻，企图夺回“小直布罗陀”，未获成功。战斗一直持续到天亮，敌人感到大势已去，放弃了毫无意义的抵抗。17日上午10时，法军在调整部署以后，再次向敌人发起进攻，又经过几个小时的激烈战斗，三色旗终于在“小直布罗陀”和克尔海角上空高高飘扬。
1793年12月18日，法军收复了土伦城。这一捷报立即传遍了整个法国，许多人不肯相信土伦这个曾被看做是无法攻克的堡垒竟会被一个初出茅庐、默默无闻的拿破仑收复。这意外的胜利格外激动人心，拿破仑也因这次战役由一个普通军官一跃成为众人瞩目的风云人物，根据杜戈米埃将军的提议，拿破仑于1793年12月22日被破格提升为炮兵准将。1794年2月6日，国民公会任命拿破仑为意大利军团的炮兵总司令。