由于飞虎队的参战，大同一战中日军的形势急转直下。
晋绥军原本分兵两路进攻大同，现在两路大军在大同城墙外实现了会师。
在大同日军被围之后，当天白天李志坚就继续发起了对大同主城区的进攻，在赵承绶的西线部队到达后，很默契的也参与进了攻城之中。
虽然同属晋绥军，但是对于谁能第一个拿下大同城，双方都比较在意，所以赵承绶麾下的部队，也顾不上疲惫，就一起发起了对大同主城的总攻。
阎锡山对此也采取了默认的态度，虽然现在大同的二十六师团残部就是笼中之鸟、瓮中之鳖，肯定逃不掉，不过从内心来说，他还是希望能更早的听到好消息。
李志坚的东线已经经过半天的战斗，在东门外取得一定的突破，不过日军将城内的所有力量都集中在一起，暂时将66师等部队的进攻抵挡住。
在赵承绶的西线部队冲到大同城墙时，顾不上休整，火炮拉来就开始轰炸，随后即有几个团从西门处展开了集团冲锋。
此时李志坚也不再留出预备队，连他的警卫团主力都上阵，炮兵都已经抵进城墙周围，有的甚至开始平射，近战之中遇到日军火力点，先有众多的迫击炮轰炸，再近一点是无数的掷弹筒的掩护，日军完全被淹没在钢铁弹片之中，几个团很快就突破了第一道阵地，随后第二批几个团跟进冲锋，炮兵也向前移动。
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。
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