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9日夜，四縱十一旅三十一團三營發起攻擊，一舉突入敵陣，但因未迅速擴大突破口，七、八連突擊部隊，被敵壓入外壕。這條外壕寬8米、深4米，壕內四角突出部均有深入壕內的地下碉，碉內設有暗火力點，有的地段埋有地雷。10日拂曉，敵外壕火力點以突然猛烈的火力，向迫於壕內的部隊射擊，致使七、八連傷亡較大，三營營長王誌興在戰鬥中光榮犧牲。12日10時，三十一團又令二、四連分由西北、西南角發起攻擊；當突擊排跳入外壕內，還未來得及架起雲梯，就遭外壕暗槍眼火力突然射擊，二、四連突擊排予以堅決還擊，但因受地形限製，致使大部分傷亡。身受重傷的二連排長陳忠信和副排長劉萬禎，忍著疼痛，將壕內5名戰士組織起來，靠外壕內側挖了避彈坑，在壕內堅持10多個小時，打退了敵人由地下碉進入外壕內的3次搜索。入夜後，7名勇士互相攙扶，利用梯子和綁腿，一個一個地吊出外壕，返回團部作了報告。該團分析了2次攻擊受挫的教訓，組織營連幹部反複偵察，弄清了敵陣地構築和外壕內的情況，展開軍事民主，決定以三麵火力轟擊，從西南、西北兩麵守角同時攻擊的手段，發動了第三次攻擊，旅工兵排長景全旺帶領3個爆破組，分別以30、60、80斤炸藥放在外壕底和壕邊，連續爆破，摧毀了外壕內外火力點和障礙物，突擊隊乘爆破的斜坡實施強攻，經2小時戰鬥全殲守敵。
解放軍攻擊開始以後，邱行湘急忙來到東門，站在東門城牆上，透過望遠鏡，看見解放軍以破竹之勢，擊潰了他的騎兵隊，殲滅了他的工兵營，一舉占領洛河橋頭陣地和城外東門大街。此後，對東門外之九龍台、潞澤會館2個據點多次發動猛攻，由於據點異常堅固，並由二○六師精銳所守，解放軍一時攻打不下，並且傷亡較重。於是邱行湘即親擬電文急告南京：“我軍士氣旺盛，迭挫凶鋒，斬獲甚眾……”蔣介石立即回電：“……以寡勝眾，殊堪嘉獎，希激勵三軍，堅守陣地，配合外圍兵團，聚殲來犯之敵。”蔣經國也拍來電報，對邱行湘大加讚賞。邱行湘內心發出微笑，令身旁的政工處長賴鍾聲把南京來電馬上轉達到全體官兵，以激勵鬥誌。不管蔣家父子怎麼激勵，到11日下午1時，洛陽城四關的蔣軍已被肅清，為攻城創造了良好條件。
11日黃昏後，解放軍對洛陽城發起總攻。12日0時40分，華野三縱八師二十三團第一營首由東門突破，攻進城內，後續部隊迅速從突破口投入戰鬥，積極向縱深發展，占領了甕城。此時，邱行湘令副師長兼第一旅旅長趙雲飛：不惜一切代價把突入甕城的解放軍打出去，把突破口奪回來。邱行湘像一條受了驚的狗，坐著吉普車奔走城東、城西督戰，指揮步炮兵南北夾擊，反複掙紮，均未奏效，不久戰鬥進入市區。邱行湘親到東門大街的鼓樓上觀察，並親自指揮巷戰。青年軍敗退的部隊麇集民房，解放軍遂逐屋爭奪，進展迅速，4小時後擴大到城內中心。邱行湘退回到核心陣地——洛陽中學，即電南京告急；蔣介石回電：“已飾外圍兵團兼程馳援，希鼓勵三軍，堅守陣地。”邱行湘自恃洛陽工事堅固，彈藥充足，士氣旺盛，誓與解放軍決一死戰；他坐在東麵一座大樓裏的靠椅上，雙眼微閉，幻想聯翩，盤算著：解放軍即使每次付出2000人的代價，也拿不下核心陣地，就創造了真正的奇跡！想到這裏，邱行湘突然起身，衝進地下室電報房，再次急電南京，除請飭外圍兵團盡早到來外，請求加派空軍助戰；在最後一頁電文紙上，邱行湘向蔣介石表示“雖戰至一兵一卒，堅決守到底，以報黨國”。發報之後，邱行湘命令升旗，將青天白日旗懸掛樓頂，以示決心。
陳賡兵團四縱以西門為主攻方向，第十旅從西門攻城。西門是蔣軍城垣防守強點之一，它的外麵又有一道滿布暗碉的甕城，牆高且厚，碉堡多如蜂窩，外壕寬得根本無法通過。要攻進去，必須通過敵人用拒馬暗碉堵塞的一道長橋。11日夜，二十九團一營曾兩次試圖偷過橋去爆破，均因道略泥濘，難以保持肅靜，被蔣軍發覺遭火力封鎖，未能成功。12日，十旅決心強攻，命令二十八團對西門實施主要突擊，二十九和三十團在西門兩側助攻。二十八團以二營為突擊營，五連為第一突擊連。該旅將炮火全部集中西門，實施抵近射擊。工兵準備充足炸藥，擔任連續爆破。13時，再次發起攻擊西門戰鬥，炮兵集中火力猛轟，城牆上8個碉堡很快被摧毀，並把外城轟一個缺口，衝鋒號響後，五連二排冒著敵人交叉火力網的封鎖，前仆後繼地英勇衝擊；戰士李世和和另外2個戰士，首先從隱蔽地跑出來，踏著泥濘，向城頭飛奔而去，敵人的子彈在他們的左右呼嘯，一個戰士的帽子被打掉了，他們都頭也不回地直向拒馬和鐵絲網撲去。當最後一根鐵絲網砍斷後，李世和中了一顆子彈，倒在泥濘裏；接著，2個工兵衝進前沿，把一大包炸藥按在外城牆被炮彈轟開的缺口裏，火光閃亮，一聲巨響，城牆在濃煙中現出了一個大缺口。站在西關工事中的連長安廷蘭，向後把手一揮，戰鬥英雄李步調率領的突擊隊，便從牆洞中一躍而出向橋頭衝去。這時，敵人集中全部火力封鎖衝鋒的道路，但是誰也沒有停步，前麵的人倒下，後麵的人便從他身上跳過去。李步調剛衝過橋頭，一顆子彈突然打中他的腿，倒在地下。他掙紮著爬起來向前，又倒下去，後麵的一個個從他身上跳過，把一排排炸藥扔上城頭。正攀登炸垮的城牆時，敵人的火力又開始反撲，前後左右的火網把突擊隊包圍起來，最先衝到城邊的第一排，大部負傷倒下，指導員傅立誌身負重傷，副連長李誌華英勇犧牲，在斷氣以前，躺在地上還一麵打手榴彈一麵喊著：“同誌們，上呀！”這時，連長安廷蘭帶著三排突擊隊衝上來了，七班長王引生一手提了一大籃子炸彈一手提著手提機槍，喊著：“三排上呀！”便向甕城扔一排炸彈，兩步爬上城牆缺口，用手提機槍向裏麵橫掃，然後又爬上甕城，一麵向裏麵打，一麵回擊外壕中的敵人。安廷蘭也跳上了缺口，舉著手槍向第二道城頭上的敵人打起來。據守第二道城牆的蔣軍，以熾熱的火力把攻城突擊隊圧在甕城裏麵，同時重炮也集中向甕城轟擊。攻城部隊雖遭重大傷亡，處境困難，但他們毫不氣俀，不停地向敵人工事裏塞炸彈，王引生一人打了一籃子炸彈又是一籃，許多人都投了100多枚。這時，第二道城門還緊閉著，四縱的山炮開始轟擊了，第一炮便打中了城樓正中，第二炮又打在城樓左麵，把敵人指揮所掀上了天，殘餘的敵人從最後據點逃出來，向一個暗孔鑽了進去。王引生機智地尾隨敵人從坑道進入城內，並將坑道口附近的敵人消滅，鞏固了突破口，隨後打開了城門。後續部隊相繼突入城內，衝上樓房高聳的洛陽大街，與敵展開激烈的巷戰。此時，五連戰士大部負傷，完好的隻有30餘人，但他們鬥誌不減，共俘虜敵人195人，繳獲輕重機槍24挺、長短槍92支，戰鬥結束被授“洛陽英雄連”光榮稱號。