警备二旅的士兵们冒着炮火，推着云梯冲向城墙，却被日军的火力死死压制，纷纷倒在冲锋的路上。杨敢看着倒下的士兵，双眼通红，大喊道“弟兄们，跟我冲！”他亲自率领一队士兵，拿着炸药包，朝着城墙下冲去。城西的平原无遮无拦，士兵们完全暴露在日军的火力下，不断有人倒下，但剩下的人依旧奋勇前进。
在接近城墙时，杨敢不幸被日军的子弹击中手臂，鲜血直流。他咬着牙，忍着剧痛，将炸药包放在城墙下，点燃导火索后迅速撤离。“轰”的一声巨响，城墙被炸开一个小缺口，可缺口周围的日军立刻从掩体后冲出来，用机枪和手榴弹疯狂反扑，士兵们趁机冲了上去，却又被打了回来。饭冢国五郎看着缺口处的战斗，冷笑一声“就这点能耐，也想攻破朔州？”
与此同时，二十八旅在苏炳文的带领下，正在艰难地穿越城东文山的密林。山路崎岖陡峭，士兵们背着沉重的武器装备，在齐腰深的灌木丛中艰难前行，树枝划破了他们的皮肤，汗水浸透了他们的军装。爬到半山腰时，突然遭遇日军的伏击，子弹从树林里射出，士兵们立刻卧倒，依托树干还击。
“鬼子就藏在前面的树林里，跟他们拼了！”苏炳文亲冒矢石，拔出军刀，大喊着冲了上去，士兵们紧随其后，与日军在树林里展开近距离厮杀。树枝间枪声、喊杀声、兵刃碰撞声交织在一起，日军利用地形熟悉的优势不断周旋，但二十八旅的士兵们凭借着人数优势，逐渐占据上风，经过两小时的激战，终于肃清了山上的日军，抢占了山顶制高点。
接下来的几天，双方陷入了激烈的拉锯战。第六军多次发起进攻，都被101师团依托山地和城防顽强地击退。日军常常利用夜色，从城外的山林里潜出来，偷袭东北军的营地和工事，给第六军造成了不小的伤亡。刘伯昭看着伤亡报告，心中十分焦急“这样下去不是办法，我们必须切断鬼子的补给线。”
9月5日，刘伯昭召集各旅旅长开会，重新制定作战计划。
“朔州城的后勤和弹药都要从平壤经天桓郡运来，而天桓郡到朔州的公路要穿过一片狭长的山谷，两侧都是高山密林，是伏击的好地方。”苏炳文指着地图上的山谷说道，“饭冢国五郎肯定没想到我们会绕到那么远的地方去切断他的补给线，我们可以派一支队伍穿过文山的密林，绕到山谷里设伏。”
刘伯昭采纳了苏炳文的建议，命令陈再刀率领一个团的兵力，带着充足的弹药和干粮，从城东文山的密林出发，迂回至日军补给线必经的山谷。陈再刀带领士兵们在山林里行军两天两夜，渴了就喝山泉水，饿了就吃干粮，晚上就宿在树林里。9月7日凌晨，他们终于抵达山谷，迅速在两侧的山林里布置好埋伏。
上午十点，日军的补给车队缓缓驶入山谷，车辆行驶在狭窄的公路上，两侧是陡峭的山坡和茂密的树林。陈再道一声令下，山上的士兵们立刻开火，手榴弹和炮弹纷纷落在车队中，日军车辆瞬间起火爆炸，士兵们惊慌失措地跳下车，想要躲进树林，却被早已等候在那里的东北军士兵逐个歼灭。此战，陈再道的部队不仅摧毁了日军的补给车队，还缴获了大量的粮食、弹药和药品。
得知补给线被切断，饭冢国五郎暴跳如雷，下令抽调城内一半的兵力去保护补给线，却被刘伯昭早已布置在城外山林里的伏兵击退。失去了补给，朔州城内的日军陷入了困境，粮食和弹药日益短缺，士兵们只能靠压缩饼干和少量野菜充饥，士气低落。
刘博昭抓住这个机会，于9月15日发起总攻。
第六军的炮火再次猛烈轰击城墙，这次，城西的城墙被炸开了一个巨大的缺口。与此同时，城东山顶的二十八旅也架起火炮，朝着城内的日军指挥部和军营轰击，炮弹在城内炸开，火光冲天。警备二旅的士兵们在杨敢的带领下，率先从缺口冲入城内，与日军展开巷战。街道两旁的房屋大多被炸毁，断壁残垣之间，双方士兵近距离厮杀，枪声、爆炸声和惨叫声不绝于耳。杨敢手持军刀，奋勇杀敌，身上多处受伤，却依旧坚持在前线指挥战斗。
陈曦联和王秉文率领部队从东西两侧攻入城内，与警备二旅形成夹击之势。日军节节败退，被迫收缩到城内的核心区域，那里是朔州城的制高点，依托一座小山丘修建了坚固的工事。三十七旅则在姜春炎的带领下，从城南的山地迂回，利用树林的掩护，悄悄摸到护城河边。士兵们乘坐橡皮艇，在夜色的掩护下偷渡护城河，成功炸毁了南门，随后冲入城内，与其他部队汇合。
9月17日清晨，刘伯昭下令发起最后攻势。苏炳文的二十八旅从城东的山丘上冲下来，姜春岩的三十七旅从城南推进，杨敢的警备二旅则从城西和城北展开猛攻，将日军的残余兵力团团包围在核心工事内。饭冢国五郎一日数惊，觉得已经不能在坚守，于是率领101师团南下突围，前往龟城
中午时分，朔州城内的枪声逐渐平息，东北军的军旗插上了朔州城的城楼，城内的残余日寇基本都被剿灭，这一仗，刘伯昭以一军之力压着101师团，一路将他们逐走，杀敌万余人。由于是攻城战，第六军的三个旅自身伤亡竟然也达到了将近一万的地步，尤其是警备二旅的几个团更是许多主力连队都打残了。二十八旅和三十七旅做的更多是策应和侧攻的战斗，所以伤亡相对较小。
朔州一战不可谓不残酷！
当第十三集团军的薛岳得知刘伯昭第六军的战报后，也心疼不已，还特意发去电报慰问，并且向刘伯昭保证，一定会让少帅申请到一个喀秋莎团和重炮团配给第六军，减少以后攻坚的伤亡。