1940年3月20日夜12点，反攻战斗开始。由新31师师长孙兰峰任攻城总指挥，五临警备旅旅长徐子珍任副总指挥。93团团长安春山率突击队800人，越过障碍，由五原城东南方面突入城内；新31师（缺93团）及五临警备旅山炮营，同时由五原西面攻进城关，向阳城义和渠以西之敌攻击；新32师向五原旧城广盛西、前后补红之敌猛攻；屯垦部队（203旅）奋力攻进南门，并攻下了屯垦合作社等南街敌据点。该部战斗中，歼灭顽抗之敌近500名，肃清了南门及南街之敌，为攻城战中，立下首功。突击队以奇袭战法，突入城后，分向纵深目标攻击，敌人有睡梦中惊醒，慌做一团，有的被我军打死炸死在迷梦中。在拂晓前，我军各部已经占领了实行小学、屯垦合作社、皮毛坊、日军司令部、天主堂、耶稣堂等重要据点，敌人粮弹库亦被我军占领。城内未歼残敌，都聚集在屯垦办事处、平市官钱局两个据点内，抵抗待援。经一夜激战，敌我伤亡惨重，出于我攻入城内的掏心战，打乱了敌军的指挥中心，内外各部因失去联系，惊慌失措，遭到各个击破。如302团，已于20日夜将乌加河二财主圪旦守桥敌军（蒙伪军）一个团击溃、俘虏多人，随将桥梁破坏。及至21日晨旧城、前后补红、广盛西之敌，仍在抵抗中。骑七师于20日夜，由乃马召向新公中进攻，守敌蒙伪军骑八师曾顽强抵抗，因受挫只得回师救应五原。这时五原内外之敌，皆处于腹背受攻之境，大部溃散，一部就歼，残部除五原城内屯垦办事处和平市官钱局、旧城、前后寂红、广盛西、黑头圪堵及新公中之敌，尚在垂列换气待援外，至21日晨，各线敌伪阵地均被击破，八时日机即临五原上空低空盘旋侦察，因我军当夜攻下敌各据点，没扯下太阳旗 ，敌机不敢投弹 ，反把增援中的日军守备队炸伤炸散。我攻城部队在拂晓后集中兵力、火力，向屯垦办事处、平市官钱局两据点猛攻，突击队营长阎梦云中弹阵亡，攻势稍挫。接着敌机10余架，先向我城外四周攻城部队投弹，扫射城内我突击队，两据点敌军持枪出来反扑，作决死之斗。我官兵奋不顾身，反复冲杀7、8次，双方死伤累累，进攻和反扑形成争夺战的焦点。当天下午，新31师全部赶到，加入战斗，敌势受挫退入据点，继续以炎力阻止我前进，我部因缺攻坚火器，只得凭人硬拼，及到22日下午，调来炮25团三营，猛轰后，两据点顽敌，被全部消灭，我军全部收复五原县城。此时敌军固守的西门和黑头圪堵，经我五临警备旅于21日午后聚歼全部守敌。团长贾杨世海不幸阵亡于激战中。固守广盛西之敌，经我一日一夜猛击，仍据险阻击，95团赵寿江营，先攻旧城及前、后补红，付出重大代价（营长赵寿江阵亡，全营官兵只剩7名）后，才将前、后补红占领。守敌伪蒙骑一师退入旧城。95团（欠赵一营）强攻广盛西一日一夜后，官兵伤亡尤重，但官兵士气未衰，仍然前仆后继、奋勇拼杀，宋海潮团八连主动参加战斗，猛扑猛攻，迫使敌军后退。该连自连长张步青以下全部壮烈牺牲。敌伪丧胆。及至21日下午，敌军在我炮兵及宋团的全力猛攻下，才慌张弃广盛西，向东溃逃。旧城之敌，见此情况亦随之溃退，至此新32师全部攻克了旧城，外围之敌亦全线溃散。

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