川岸文三郎得报大吃一惊,因为在集宁只留下了4个大队,估计支持不了太长的时间,一旦集宁失手,那么无论陈赓还是自己都陷入敌人优势兵力的包围之中,纵然攻取大同,结果也可能是与832是同归于尽,加之张家口就有重兵驻守,一旦出击后果很难预料。但他又相信皇军无敌,所以亲率5个联队回师集宁,一个大队驻守天镇,一个联队追击撤退的支那人,只要在832师主力撤回大同前,拿下大同,并坚持一下到师团主力南下大同,那么832师可就气数已尽了。川岸对此非常有信心,因为据832师北上的人数判断,城内只有少量治安部队,即使加上天镇的残余部队,也抵挡不了皇军一个联队的进攻。
于是,日军主力开始向集宁方向开去,而一个日军联队也紧随我天镇的守备部队,奔向大同。天镇守军原有一个团,在日军的强大攻势下,减员50%以上,正副团长及很多营级指挥官阵亡,军阶最高的只有2营营长皮定均,在部队失去指挥的关键时刻,皮定均果断向全团发布命令,收缩兵力,向天镇西部撤退,才避免了部队被打散,各自为战的情况。在勉强集合了近一个营后,接到师部的命令,巧妙组织部队后撤,基本带了这近一个营的兵力,撤向大同。但更艰巨的的任务还在后面,如何率疲敝之师据守大同,面对追兵气势汹汹,皮定均一边走一边思考……
到达大同外围,看到堆在四处的燃煤,皮定均计上心头。据报,日军将于2小时后赶到大同,于是皮定均派了2个连把燃煤装进砂包,随意散放在御河西岸,一些还堆放成工事的样子,并在沙包上撒上大量泥土,1个连及城内炮兵(没弹药了)在东岸营建野战工事。这些都干得差不多时,在桥上安放炸药包以备不时之需,并派了一个排驻守西岸(守在更西面一点的真正工事)。之后,静候日军前来。15分钟后,日军先头部队出现在皮定均的望远镜里。他们随后发动的试探性进攻被我军在河西岸的一个排打退了。不久,联队主力出现,在打退了日军2次冲锋后,我军佯败,“仓皇”向后逃去,放弃了第二道“防线”,直接“逃”过河去。河野联队长以为我军溃败,马上命令一个中队追击。在我军撤退部队过河时,我军还扫射了一阵,显示他们是“逃兵”,要正法他们,河里还飘起了几具尸体(本来就是死的,有些是伤重不治,有些根本就是死人穿上我军军服,再用血纱布绕几圈)。而一个中队日军刚刚开始上桥渡河,就被东岸我军的防御部队的强大火力击退。在我军火力的威慑下(其实只是向天开枪,以免过早暴露其中奥妙),只得躲在“工事”里,等待主力部队到来进行火力掩护。
河野得到汇报后,即吃惊于我军竟然大规模进行临阵正法,又对我军竟然在西岸给他留下了那么好的便于他进行压制的工事(而且距离适当,连桥也来不及炸)感到高兴(丝毫没有怀疑)。就命令充分利用已有工事,对对岸进行火力压制。15分钟后,第一次进攻开始了,日寇首先进行了一次炮火覆盖,然后派遣步兵冲锋。沿着临时搭建的简易桥梁,向我军阵地冲来,由于桥梁有限并被我军重点关注,所以三次冲锋都非有什么战果。而且河野得到了我军主力4小时后即将赶回大同的消息。
第四次跑火压制开始了,我军还以为像前几次一样,等炮火敌人再冲锋,都躲在了工事里。谁知这次日军不顾炮火误伤,直接冲了过来,当我军发现情况不对时,敌人已经有一个小队过河了,皮定均马上命令是共产党员的抬起头来对敌人的“沙包”射击,于是我军士兵不论是不是党员,都冒着炮火抬头射击。日军觉得很奇怪,怎么不消灭渡河部队对着掩护工事打什么?马上他们就明白过来,因为日军阵地开始莫名其妙着火,加上空气干燥,不久就蔓延成一片火海,参与掩护的日军陷入混乱之中。而渡河部队失去了近程掩护,而我军又不顾炮火压制,有的人甚至跳出战壕射击,不得不停止渡河。已经渡河的部队,由于得不到有效支援,慢慢被我军消灭。
河野现在进退两难,如果灭火的话,被我军打冷枪损失惨重不说,所消耗的时间就难以估量,要是撤退军令如山,回去面对的就是军法从事。随着日军犹豫不决,火势也得不到控制,伤亡逐渐增加,更重要的是,日军的士气开始动摇,河野下令,原路返回到天镇再作打算,若有不愿走的可以投降。最终,除了极个别伤重缴械投降外,剩下的近2个大队向天镇方向撤退。