66师和新3师原本已经整装完毕，在阎锡山的命令一下，部队即向广灵方向出发。在得到阎锡山的通知后，李志坚暗笑，阎锡山这已经是明目张胆的偏袒他，也能看出阎锡山心中的急迫，在电报中，阎锡山就让李志坚迅速突破浑源防线，逼近到大同外围，并且尽可能的保证张家口的安全。
加强上这两个师，他手中的实力，已经到达了三个师，七个步兵旅和一个炮兵旅。
日军派向张家口的援军主要是一个六十三师团，此时张家口方向都是他的嫡系部队，在这里，他不会让自己的人吃亏，在得知两个师要来之后，就先抽出一独立游击四旅增援张家口，这支部队在晋北作战多年，部队和日军的作战经验丰富，战斗力不弱。
在66师和新三师到达浑源东时，李志坚就不再犹豫，现在浑源周围的日军总共有三部，为浑源县城内驻防的一个半大队，恒山上的两个大队，浑源北、阳原西的两个大队和一些伪军。
现在他手头的兵力十倍于日军，李志坚准备用人数来压死日军。
现在浑源县城的日军居于三支部队的中心，李志坚就准备先从中心开花，让新3师负责进攻，加强整个炮兵旅。新3师是他的老部队，师长王崇俊和副师长林奇都是一起共过事的老伙计，当初和林奇有一些不快，不过现在李志坚已经贵为集团军司令，双方之间的那点因为理念不一而导致的不快早就烟消云散，这次见面只有战友重逢的喜悦。
而对于在浑源北的11联队的两个大队和几千伪军，他准备让66师去处理。他相信进攻浑源县城的战斗开始后，这部分日军不可能按兵不动，如果坐视浑源丢失，那么大同的日军就再没有了地利，从而陷入全面的包围中。所以，66师首先是设置阻击线，之后进行防守反击。
对于恒山上的两个大队，李志坚则让恒山南的独立游击3旅和7旅放手进攻，骑二师在县城周围游击，如果恒山上的两个大队下山支援浑源县城，则由骑二师来解决。
李志坚自己率领独立游击八旅和他的警卫团作为预备队。
浑源县城的城墙，根本禁不住一个炮兵旅和各部配属炮兵的轰炸，在被轰击一段时间后，东门处和北门处就分别有数处城墙被炸出缺口，城墙防线上的日军也是被炸的鬼哭狼嚎、残肢断臂乱飞。
新3师按照李志坚的安排，并没有着急就进行冲锋。
待浑源北的11联队乘着汽车到达66师的阻击阵地时，全师才开始冲锋。
而此时在恒山上的两个大队，也抽出近一个大队的兵力来牵制新3师。
引蛇出洞的目的已经达成，李志坚就让部队不再留手，新3师的冲锋在炮兵旅的掩护下，很快突破城防防线，突入进城内，不过日军在城内以巷战进行抵抗。
骑二师则对从恒山上下来的这个大队展开绞杀，不过日军大队的指挥官明显反应够快，很快就退进了山里，不过跑的慢的还是被骑二师留下一些。
战斗情况反馈到李志坚这里时，李志坚知道现在唯一可以留下的就剩下66师阻击的11联队主力，于是李志坚不再留下预备队，自己亲自率领独立游击八旅和警卫团，向11联队侧翼迂回。
日军二十六师团虽说不是甲种师团，但是官兵的战斗经验绝对丰富，侦察部队非常有效，李志坚的迂回部队在距离好几公里时就被发现。箭已出弦，不得不发，李志坚只能继续前进，发起强攻，在得知在东面晋绥军的迂回部队后，日军11联队就开始后撤，66师看到这种情况，立即开始发动反攻，与11联队断后的部队发生激战，在李志坚的迂回部队到达后，断后的日军才被联合绞杀。
不过11联队主力已经后撤不少，这部分日军有不少卡车，部队的机动速度，连骑兵也追赶不上，更不说纯步兵了。
李志坚精心准备的一战，由于日军的警觉，并没有取得围点打援，消灭日军援兵的目的。对此，李志坚也不奇怪，日军已经被伏击多次，早已吃尽了这样的亏，肯定会比较警觉，尤其这次李志坚的兵力调动，也无法瞒过恒山上的日军，所以日军也早早做好撤预案也是可以预见的。
没能打掉日军援兵，李志坚就将力量都集中在了浑源县城上，这一个半大队的日军，最终被淹没在了晋绥军的人海中。
不过到了天亮之时，令李志坚比较失望的是，恒山南的独立游击三旅和七旅，竟然还没有攻下恒山，伤亡不小，但是却仍旧没有战果。原本李志坚非常愤怒，认为是攻击部队不出力，但是在派警卫团部一部精干人员去实地查看后，并照回一些照片，一切都显示的恒山上的日军工事建设的确比较刁钻，火炮上不去，迫击炮炸不掉，炸药包送不过去，完全是一夫当关万夫莫开，一直用人命去填，伤亡太大，又难以取得实际效果。
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