得知補給線被切斷，飯冢國五郎暴跳如雷，下令抽調城內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里的伏兵擊退。失去了補給，朔州城內的日軍陷入了困境，糧食和彈藥日益短缺，士兵們只能靠壓縮餅干和少量野菜充饑，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墻，這次，城西的城墻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，朝著城內的日軍指揮部和軍營轟擊，炮彈在城內炸開，火光沖天。警備二旅的士兵們在楊敢的帶領下，率先從缺口沖入城內，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，雙方士兵近距離廝殺，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斗。

陳曦聯和王秉文率領部隊從東西兩側攻入城內，與警備二旅形成夾擊之勢。日軍節節敗退，被迫收縮到城內的核心區域，那里是朔州城的制高點，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，隨后沖入城內，與其他部隊匯合。

9月17日清晨，劉伯昭下令發起最后攻勢。蘇炳文的二十八旅從城東的山丘上沖下來，姜春巖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，將日軍的殘余兵力團團包圍在核心工事內。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，朔州城內的槍聲逐漸平息，東北軍的軍旗插上了朔州城的城樓，城內的殘余日寇基本都被剿滅，這一仗，劉伯昭以一軍之力壓著101師團，一路將他們逐走，殺敵萬余人。由于是攻城戰，第六軍的三個旅自身傷亡竟然也達到了將近一萬的地步，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斗，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岳得知劉伯昭第六軍的戰報后，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，減少以后攻堅的傷亡。_c