警備二旅的士兵們冒着炮火，推着雲梯沖向城牆，卻被日軍的火力死死壓制，紛紛倒在沖鋒的路上。楊敢看着倒下的士兵，雙眼通紅，大喊道“弟兄們，跟我沖！”他親自率領一隊士兵，拿着炸藥包，朝着城牆下沖去。城西的平原無遮無攔，士兵們完全暴露在日軍的火力下，不斷有人倒下，但剩下的人依舊奮勇前進。
在接近城牆時，楊敢不幸被日軍的子彈擊中手臂，鮮血直流。他咬着牙，忍着劇痛，将炸藥包放在城牆下，點燃導火索後迅速撤離。“轟”的一聲巨響，城牆被炸開一個小缺口，可缺口周圍的日軍立刻從掩體後沖出來，用機槍和手榴彈瘋狂反撲，士兵們趁機沖了上去，卻又被打了回來。飯冢國五郎看着缺口處的戰鬥，冷笑一聲“就這點能耐，也想攻破朔州？”
與此同時，二十八旅在蘇炳文的帶領下，正在艱難地穿越城東文山的密林。山路崎岖陡峭，士兵們背着沉重的武器裝備，在齊腰深的灌木叢中艱難前行，樹枝劃破了他們的皮膚，汗水浸透了他們的軍裝。爬到半山腰時，突然遭遇日軍的伏擊，子彈從樹林裏射出，士兵們立刻卧倒，依托樹幹還擊。
“鬼子就藏在前面的樹林裏，跟他們拼了！”蘇炳文親冒矢石，拔出軍刀，大喊着沖了上去，士兵們緊随其後，與日軍在樹林裏展開近距離厮殺。樹枝間槍聲、喊殺聲、兵刃碰撞聲交織在一起，日軍利用地形熟悉的優勢不斷周旋，但二十八旅的士兵們憑借着人數優勢，逐漸占據上風，經過兩小時的激戰，終于肅清了山上的日軍，搶占了山頂制高點。
接下來的幾天，雙方陷入了激烈的拉鋸戰。第六軍多次發起進攻，都被101師團依托山地和城防頑強地擊退。日軍常常利用夜色，從城外的山林裏潛出來，偷襲東北軍的營地和工事，給第六軍造成了不小的傷亡。劉伯昭看着傷亡報告，心中十分焦急“這樣下去不是辦法，我們必須切斷鬼子的補給線。”
9月5日，劉伯昭召集各旅旅長開會，重新制定作戰計劃。
“朔州城的後勤和彈藥都要從平壤經天桓郡運來，而天桓郡到朔州的公路要穿過一片狹長的山谷，兩側都是高山密林，是伏擊的好地方。”蘇炳文指着地圖上的山谷說道，“飯冢國五郎肯定沒想到我們會繞到那麽遠的地方去切斷他的補給線，我們可以派一支隊伍穿過文山的密林，繞到山谷裏設伏。”
劉伯昭采納了蘇炳文的建議，命令陳再刀率領一個團的兵力，帶着充足的彈藥和幹糧，從城東文山的密林出發，迂回至日軍補給線必經的山谷。陳再刀帶領士兵們在山林裏行軍兩天兩夜，渴了就喝山泉水，餓了就吃幹糧，晚上就宿在樹林裏。9月7日淩晨，他們終于抵達山谷，迅速在兩側的山林裏布置好埋伏。
上午十點，日軍的補給車隊緩緩駛入山谷，車輛行駛在狹窄的公路上，兩側是陡峭的山坡和茂密的樹林。陳再道一聲令下，山上的士兵們立刻開火，手榴彈和炮彈紛紛落在車隊中，日軍車輛瞬間起火爆炸，士兵們驚慌失措地跳下車，想要躲進樹林，卻被早已等候在那裏的東北軍士兵逐個殲滅。此戰，陳再道的部隊不僅摧毀了日軍的補給車隊，還繳獲了大量的糧食、彈藥和藥品。
得知補給線被切斷，飯冢國五郎暴跳如雷，下令抽調城内一半的兵力去保護補給線，卻被劉伯昭早已布置在城外山林裏的伏兵擊退。失去了補給，朔州城内的日軍陷入了困境，糧食和彈藥日益短缺，士兵們隻能靠壓縮餅幹和少量野菜充饑，士氣低落。
劉博昭抓住這個機會，于9月15日發起總攻。
第六軍的炮火再次猛烈轟擊城牆，這次，城西的城牆被炸開了一個巨大的缺口。與此同時，城東山頂的二十八旅也架起火炮，朝着城内的日軍指揮部和軍營轟擊，炮彈在城内炸開，火光沖天。警備二旅的士兵們在楊敢的帶領下，率先從缺口沖入城内，與日軍展開巷戰。街道兩旁的房屋大多被炸毀，斷壁殘垣之間，雙方士兵近距離厮殺，槍聲、爆炸聲和慘叫聲不絕于耳。楊敢手持軍刀，奮勇殺敵，身上多處受傷，卻依舊堅持在前線指揮戰鬥。
陳曦聯和王秉文率領部隊從東西兩側攻入城内，與警備二旅形成夾擊之勢。日軍節節敗退，被迫收縮到城内的核心區域，那裏是朔州城的制高點，依托一座小山丘修建了堅固的工事。三十七旅則在姜春炎的帶領下，從城南的山地迂回，利用樹林的掩護，悄悄摸到護城河邊。士兵們乘坐橡皮艇，在夜色的掩護下偷渡護城河，成功炸毀了南門，随後沖入城内，與其他部隊彙合。
9月17日清晨，劉伯昭下令發起最後攻勢。蘇炳文的二十八旅從城東的山丘上沖下來，姜春岩的三十七旅從城南推進，楊敢的警備二旅則從城西和城北展開猛攻，将日軍的殘餘兵力團團包圍在核心工事内。飯冢國五郎一日數驚，覺得已經不能在堅守，于是率領101師團南下突圍，前往龜城
中午時分，朔州城内的槍聲逐漸平息，東北軍的軍旗插上了朔州城的城樓，城内的殘餘日寇基本都被剿滅，這一仗，劉伯昭以一軍之力壓着101師團，一路将他們逐走，殺敵萬餘人。由于是攻城戰，第六軍的三個旅自身傷亡竟然也達到了将近一萬的地步，尤其是警備二旅的幾個團更是許多主力連隊都打殘了。二十八旅和三十七旅做的更多是策應和側攻的戰鬥，所以傷亡相對較小。
朔州一戰不可謂不殘酷！
當第十三集團軍的薛嶽得知劉伯昭第六軍的戰報後，也心疼不已，還特意發去電報慰問，并且向劉伯昭保證，一定會讓少帥申請到一個喀秋莎團和重炮團配給第六軍，減少以後攻堅的傷亡。