徐大龍不為所動，只是看了看手錶，繼續朝著城門方向觀望。
就在這時，在大同城的北城牆下，一隊日軍官兵沿著樓梯上了城牆，突然朝著城牆上的日偽軍守軍發起了攻擊。
發動攻擊的正是朱光照和他手下的特戰隊員們，他們提前兩天就已經悄悄地潛入了大同城裡，在地下黨的幫助下，隱藏了起來。這是徐大龍提前制定的作戰計劃。
戰鬥打響之後，抗日遊擊縱隊的主力分別進攻三個城門，北面沒有城門，日軍也投入了很多守軍，但是三座城門附近八路軍的攻擊實在是太猛烈了，他們不得不把部隊抽調過去進行增援。
朱光照等人等的就是利用這個時機，十分順利就拿下了城牆。
他們把早已準備好的繩梯從城牆上順了下去，埋伏在城外的八路軍官兵們在特戰中隊的掩護下，不斷地爬上了城牆。
他們上了城牆之後，又放下了更多的繩梯。繩梯很快在北面城牆上就達到三十多架，成批的八路軍官兵迅速地爬上了城牆。
朱光照率領著特戰隊員們在城牆上阻擊日軍的增援部隊。
他等上到城牆上的八路軍官兵數量足夠多之後，就開始向日軍發起了反擊。
隨著進入城裡的八路軍官兵數量越來越多，他們很快就控制了城區的北部，隨後繼續向其他三個方向攻擊前進。
原本城裡的日偽軍依靠著大同堅固的城牆，還有很強的信心守住城池。等他們看到城北已經被攻破了，頓時就慌亂了起來。
首先崩潰的就是城裡的偽軍，他們有的四散而逃，有的向八路軍投降。
日軍的兵力本身就不足，還要分別防守三座城門和三面城牆，現在又不得不分出大隊人馬來狙擊進入城裡的八路軍，防守城門和城牆的兵力愈發單薄了起來。
不久以後，部分八路軍攻進了大同東門，大批的八路軍隨後蜂擁而入，向城南面和城西攻擊前進。
日軍的旅團長看到城破了，不停地發電報請求增援。
筱冢義男已經給駐紮在陽泉的第110師團發去了電報，命令他們派兵增援大同的守軍。可是他得到的回覆是陽泉城遭到了八路軍馬武山軍分割槽的主力部隊進攻，他們根本沒有能力抽調援軍去增援大同。
筱冢義男沒有別的辦法了，只能硬著頭皮給察哈爾派遣軍發出了求援電報。
正如他所擔心的那樣，察哈爾派遣軍的騎兵部隊早已經被徐大龍打怕了，他們發誓不再進入山西，而且他們已經發現了在天鎮附近，有大批八路軍騎兵。
根據他們的經驗，知道也只有馬武山軍分割槽的部隊有這麼多的騎兵部隊，他們根本沒有膽量再跟馬武山軍分割槽的部隊較量。因此筱冢義男發去的電報如同泥牛入海，根本沒人搭理。
城裡的日軍守軍得到了筱冢義男的回覆，說援軍暫時無法到達，讓他們堅守大同，戰至一兵一卒。
城裡的日偽軍徹底絕望了，鬥志更加渙散，根本抵擋不住八路軍猛烈地進攻。經過了四個半小時的激烈戰鬥，大青山抗日遊擊縱隊殲滅了城裡的全部日偽軍，佔領了整個大同城。
第二天上午，徐大龍在馬振宇的陪同下前往參觀華巖寺。
徐大龍等人正在參觀的時候，寺廟西北角的一個院子裡突然傳來了兩聲槍響。
擔任警戒任務的特戰隊員們馬上就衝了過去，很快又傳來了幾聲槍響。不久以後，特戰隊員們就押著一個身材肥胖、身穿便衣的中年人走了出來。
特戰隊的班長說道：“報告大隊長，有兩個帶槍的人打死了這裡的一名僧人，我們打死了一個，抓到了這一個。”說到這裡，他遞上了手中的王八盒子，說道：“這是從他們手裡繳獲的。”