小柴俊男中佐心知不妙，一麵用信鴿向蔚縣方向求援、一麵組織人試圖搶回碉堡，最後連兩門九二步兵炮都用上了。沒想到，他的部隊也遇到了剛才獨立師進攻時一樣的麻煩。這座碉堡實在太結實了！
原先為防止晉綏軍方麵反攻時使用炮火，日軍工兵特意將主碉堡修成了鋼筋混凝土結構，設計標準就是能抵禦75毫米口徑以下的山野炮的轟擊，九二步兵炮的威力稍微慫了點，就算是四一式山炮都隻能在外牆上留下個印子。
接下來的戰鬥就容易了很多，
日軍反擊失敗後就將部隊龜縮到大隊部附近的二十多棟民房裏據守。八路軍這頭是九二步兵炮加土坦克伺候，還集中二十具擲彈筒對著日軍大隊部攢射。
小柴中佐的命令都出不了指揮部，四射的彈片讓所有試圖衝出房間的傳令兵都成了屍首，沒法子隻能用大喇叭喊話來解決通訊問題。攻城部隊也沒有閑著，他們把兩挺馬克沁重機槍架在城中主碉堡的頂上，用火力把日軍防線死死分割為相不不能支援的兩個區域。
戰至下午二時，為盡快結束戰鬥，獨立師迫擊炮連對著日軍指揮部一連三輪齊射，徹底將日軍指揮體係打爛。半個小時後，日軍殘部突然發動，一部以自殺攻擊方式拖住獨立師進攻部隊，另一部約六十餘人向蔚縣方向拚死突圍，攻城部隊猝不及防，被日軍打開突破口。事後查明，突圍者中包括大隊長小柴中佐，但小柴亦俊男因部隊全滅被勒令推出現役小柴的兒子就是諾貝爾物理學獎獲得者小柴昌俊?。
下午三時淶源城的槍聲停了下來。部隊開始打掃戰場，吃晚飯時繳獲的情況終於被統計了出來。此役共殲滅日軍八百五十四名、偽皇協軍八十三名，俘虜日軍四十九名，偽軍十七名，偽軍投誠二十一名。除淶源縣城外，日軍北口、下北頭、白石口、中莊、王喜洞、劉家嘴、東團堡等八個據點被摧毀。
八路軍獨立師繳獲了大批武器彈藥，計有輕重機槍二十一挺，擲彈筒一百零六支，繳獲步馬槍二百四十六支，短槍七支。繳獲九二步兵炮炮彈九十三發，手榴彈、手雷五百二十八枚，步機槍彈六萬二千九百發，各種炸藥一點三噸，還有足夠全師半個月食用大批糧食等。
至二十五日，張家口援兵三千餘增至草溝堡，後續仍源源不斷增加。二十八日，日軍動用汽車三百六十輛，在坦克二十輛、轟炸機四架的掩護下反攻淶源縣城。
為避難不必要的傷亡，獨立師在拆除淶源部分城牆後，主動從淶源縣城撤離！
百團大戰第二階段的攻勢還在繼續，但八路軍集中大部隊兩戰兩勝，一度收複壽陽、淶源全境，全殲獨立混成第二旅團獨立步兵第4大隊的消息被新華日報在大後方以號外形式迅速公布，消息傳開，大後方轟動了。
老百姓關注的是中國軍隊打了一個漂亮的反擊，這是自淞滬會戰以來，國軍第一次在攻堅作戰中拿下日軍重兵把守的縣城。但是各方更感興趣的是八路軍那些火炮的來源！