虎式坦克抵近城墙根下，88mm主炮精准轰击着城墙的薄弱部位。东门的城墙在连续轰击下，出现了一道道裂缝，最终轰然倒塌，形成一个宽达五米的缺口。“冲进去！”KL师装甲掷弹兵团团长汉斯一声令下，士兵们搭乘半履带装甲车，冒着日军的零星炮火，从缺口冲入城内。MG42通用机枪的扫射声如撕裂布匹般刺耳，将沿街抵抗的日军成片扫倒，鲜血染红了结冰的路面，日军组织不了一点队伍进行反抗。
北门的战斗同样激烈。KL师的坦克群采用迂回战术，绕到北门侧后方，从日军防御薄弱的地段突破。日军士兵试图用燃烧瓶攻击坦克，但不等他们靠近，就被装甲车上的机枪扫射倒地。城门被坦克撞开，更多的士兵涌入城内，与日军展开巷战，一时间冲锋枪，迫击炮和坦克炮，各种声音混在一起，喊杀声四起。
城内的日军依托街道两侧的建筑，负隅顽抗。他们躲在窗户后、墙角处，用步枪和掷弹筒袭击进攻的士兵。KL师的坦克在狭窄的街巷中难以展开，推进速度放缓。就在这时，二师的主力部队及时跟进，他们化整为零，以班排为单位钻进民房、商铺，与日军展开近距离缠斗。
一名八路军战士背着炸药包，借着坦克的火力掩护，冲到一座日军据守的院落前。他爬上院墙，将炸药包塞进窗户，拉燃引线后迅速跳下。“轰”的一声巨响，院落的墙壁倒塌，里面的日军被烟尘呛得四处逃窜，刚出门就被等候在外的士兵射杀。这样的场景，在大同城内的每一条街巷上演着，八路军的近战优势与KL师的火力优势完美结合，一步步压缩着日军的生存空间。
上午八点，二师已经控制了大同城区的一半区域，日军被压缩至钟楼、火车站和兵工厂三个核心据点。柴山躲在钟楼的地下室里，看着不断传来的伤亡报告，部队接连被灭，部队一点点减少。绝望地拔出了军刀，进行了一次洗礼，以保全名声。
钟楼是大同城内的制高点，同时也是日军的另一个指挥中心。坂本率领三百余名日军，依托钟楼坚固的建筑结构，负隅顽抗。KL师的榴弹炮不会如他们的意，榴弹炮对准钟楼轰击，但钟楼的墙体厚实，多次轰击后仍未倒塌。“让步兵上，用火焰喷射器，让他们暖和一下！”汉斯下令。
KL师的喷火兵携带火焰喷射器，在坦克的掩护下，一步步逼近钟楼。日军从钟楼的窗口向外射击，喷火兵们交替掩护，终于抵达钟楼底部。“开火！”一条条火龙喷涌而出，顺着钟楼的门窗涌入内部。钟楼内传来日军的惨叫声，随着火焰蔓延开来，里面的喊叫声更大了，浓烟滚滚有点日军忍受不了，当起来了飞人。
就在这时，八路军战士王狗发现钟楼西侧有一个隐蔽的地道入口。他立刻带领一个班的战士，钻进地道，从内部突袭。地道内的日军毫无防备，被战士们用手榴弹和步枪肃清。王狗带领战士们冲上钟楼顶层，坂本正挥舞着军刀试图剖腹自尽，王狗发现了一枪击中坂本，干掉了坂本。
上午十点，钟楼据点被攻克。紧接着，部队转向火车站发起进攻。火车站内的日军约有两百人，他们控制了站台、候车室和货运仓库，用重机枪封锁了进出通道。KL师的坦克从正面发起冲击，三师则迂回至火车站后侧，从货运仓库的破窗钻入，与日军展开近战，冲锋枪子弹像雨点一样泼向日军，日军瞬间倒下了一片。
货运仓库内，双方展开了激烈的枪战。八路军战士们手持冲锋枪，与日军拼杀在一起。战士李二牛接连击倒倒两名日军，自己的胳膊也被日军划了一道深深的伤口，但他丝毫没有退缩，继续与敌人搏斗。KL师的士兵也加入了战斗，一瞬间仓库变得拥挤了，冲锋枪不敢开枪了，于是双方和日军展开白刃战，他们的格斗术与八路军的拼刺技巧相得益彰，很快就将仓库内的日军肃清。
下午两点，火车站被控制。最后的战场转移到了大同兵工厂——这座被日军侵占后改造的军工基地，驻守着两百余名日军护卫队，他们配备了大量的重武器，还储存了不少炸药，试图与联军同归于尽。
三师采取了围而不攻的策略。KL师用榴弹炮轰击兵工厂的外围围墙，打开缺口后，三师战士们向厂区内喊话，劝日军投降。但厂区内的日军负隅顽抗，不断向外射击。“用炸药包炸开厂房！”师长赵强下令。八三师的爆破组带着炸药包，在坦克的掩护下，冲到厂房门口，将炸药包贴在门上。
“轰隆”一声，厂房大门被炸开，士兵一拥而入。厂区内的日军疯狂射击，还点燃了部分炸药，试图炸毁厂房。士兵一边灭火，一边清剿日军，经过四小时的激战，下午四点，兵工厂内的最后一名日军被击毙，大同城区的战斗宣告结束。
城区的战斗结束后，三师和KL师兵分多路，对大同城郊的零星据点展开清剿。KL师的装甲分队机动性强，负责扫荡平原地带的据点；八三师则凭借地形优势，用机枪和迫击炮攻克山地里的隐蔽工事。
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