第二道阵地在不久后也是数处被击穿，最终第二道阵地也失守，日军只能退守到城墙防线。
东城门铺不开太多兵力，李志坚就将独立游击八旅派到南门来分散日军。
到了夜间，晋绥军两路大军也都没有消停，现在进攻的力量非常充沛，许多西线部队白天都没有参与战斗，于是在夜里就展开了三波进攻，守军的兵力被不断的分散。
最终在第三次冲锋中，李志坚率领66师和他的警卫团率先从东门处突破，攻入城中。
一处突破后，迂回的部队从侧后将南门处日军击溃，整个南侧城墙之后全线被破，有近10个旅的部队冲进了大同城，退守城内的日军要展开的巷战根本无法施展，一个巷内刚准备好阵势，就有手持冲锋枪的晋绥军战士从后面或者侧面扫射过来，巷战没能组织起来就草草结束。
想要投降的日军，冲锋的官兵们也没有给他们留下这个机会，晋绥军比西北军要仁慈不少，这个时候西北军应该是用大刀砍向他们的头颅，而晋绥军只不过给他们来上一梭子子弹。
最终只有师团长柴山兼四郎率领师团直属扫荡队以及司令部的人员从北门处逃出，向丰镇方向逃窜。
但是骑二师和骑一师完全没有给他们逃窜的机会，紧紧跟着进入大同北的大山之中，最终在大山之中将之全部击毙。
大同，这座被日军占了近6年的城市，终于被中国军队光复，再次回到了晋绥军的手中。