戰至8月22日，朱雀大街的爭奪終于結束。第五軍付出了三千余人傷亡的代價，才勉強控制了這條不足兩公里的街道，而日軍第一師團第二聯隊也傷亡過半，聯隊長鈴木孝大佐被手榴彈炸成重傷，殘部向內城撤退。此時的朱雀大街，早已沒了往日的繁華，房屋燒毀殆盡，街面上堆滿了雙方士兵的尸體，有的相互糾纏在一起，刺刀還插在對方的身體里，空氣中彌漫著濃烈的血腥味與腐臭味，令人作嘔。

就在街巷戰白熱化的同時，牡丹峰的溶洞群成為了另一個絞肉場。第一師團第四聯隊的五千余名士兵退入溶洞，憑借復雜的地形與東北軍周旋。這些溶洞相互連通，如同巨大的地下迷宮，日軍在洞口、通道兩側設置了機槍陣地與絆發地雷，還將溶洞內的鐘乳石鑿碎，制成滾石，隨時準備砸向進攻的東北軍。

馬占山派出兩個團的兵力清剿溶洞，卻屢屢受挫。溶洞內光線昏暗，視線受阻，東北軍士兵只能摸索著前進，常常走進日軍的伏擊圈。在一處開闊的溶洞大廳里，日軍從四面八方的洞口發起攻擊，密集的子彈如同雨點般落下，東北軍士兵成片倒下，尸體堵住了通道。一名連長見狀，下令用火焰噴射器攻擊兩側洞口，熊熊烈火順著通道蔓延，洞內傳來日軍士兵凄厲的慘叫，不少人被活活燒死，空氣中彌漫著皮肉燒焦的味道。

但日軍的抵抗并未停止。他們躲在更深的溶洞分支里，趁東北軍清理戰場時發起反撲。一名東北軍噴火手剛收起噴射器，就被黑暗中沖出的日軍士兵用刺刀刺穿了喉嚨，而那名日軍士兵也隨即被身后的東北軍士兵亂槍打死。溶洞內的戰斗異常殘酷，雙方士兵近距離廝殺，有時甚至用拳頭、石塊攻擊對方，許多士兵的尸體上布滿了密密麻麻的傷口，根本分不清是刀傷還是槍傷。

8月25日，清剿溶洞的東北軍部隊陷入了絕境。日軍引爆了溶洞內的炸藥，崩塌的巖石將數百名東北軍士兵困在洞內，與外界失去聯系。馬占山得知消息后，親自率領救援部隊趕到，用炸藥炸開崩塌的巖石，才救出了幸存的幾十名士兵，而這些士兵身上布滿了傷口，不少人還因為吸入過多煙塵而呼吸困難。這場溶洞拉鋸戰，第五軍付出了四千余人傷亡的代價，而日軍第一師團第四聯隊也傷亡四千余人，僅剩一千余人僥幸逃脫，向城內核心區域撤退。

8月27日，第五軍終于推進至內城北側的平壤府衙一帶，這里是第一師團的核心防御陣地，師團長河村恭輔將剩余的八千余名兵力全部部署在此，試圖做最后的頑抗。府衙周圍的街道被日軍拆毀了房屋，構筑起數道街壘，街壘后面是密集的機槍陣地，府衙本身則被改造成了堅固的堡壘，墻體上布滿了射擊孔，屋頂上架設了高射機槍，甚至還布置了兩門步兵炮，隨時準備轟擊進攻的東北軍。

馬占山深知，這是與第一師團的終極決戰，他將剩余的所有兵力全部投入戰場，同時請求裝甲軍派出部分坦克支援。但內城街巷狹窄，飛熊坦克難以展開，只能沿著主干道緩慢推進，用主炮轟擊日軍的街壘與府衙墻體。日軍則集中反坦克火力，攻擊坦克的履帶與觀察孔，一輛飛熊坦克被日軍的反坦克炮擊中履帶，癱瘓在街道中央，車內乘員剛打開艙門，就被密集的子彈擊中，全部犧牲。

步兵部隊在坦克的掩護下發起沖鋒，卻依舊遭遇了頑強抵抗。日軍士兵抱著炸藥包，瘋狂沖向東北軍的沖鋒陣型，不少人在距離東北軍士兵數米遠的地方拉響導火索，與對方同歸于盡。一名東北軍士兵眼睜睜地看著日軍士兵沖過來，來不及躲閃，只能拉響身上的手榴彈，兩人一同被炸得粉身碎骨，鮮血與肉塊濺落在周圍士兵的身上。