七月五日，吉鸿昌根据多伦及其周围地区的敌情报告，在大柳树村召集抗日军前线主要将领会议，决定分三路进攻多伦城：左路集结牛眼睛一带，右路集结马前沟一带，总预备队集结新旧边墙一带。抗日同盟军左路之先锋军，当天即开抵多伦近郊前后七里河、前后孤山等地，遇敌前哨百余，被击破。六日，各部均已向指定地点集结完毕。七日．吉鸿昌命令各路抗日军开始进玫，中路进逼黄土滩子一带，左路进逼大厂一带．右路进逼破窑挂一带，吉鸿昌率总预备队进驻前后孤山。 日军在连失三城的情况下，推恐多伦不保，派出三架飞机，环绕抗日军的阵地进行侦察。官兵见之，义愤填膺，士气更旺。夜十一时，开始围攻多伦。翌日拂晓，抗日军夺取敌军战壤两道。天亮后，日机数架掷弹轰炸抗日军阵地。下午六时，抗日军右路占领多伦西仓西端及菜园等处，敌军纷纷向城内逃窜。这次战斗缴获敌军步枪一百余支，重机枪三挺，战马一百五十七匹，俘敌二百九十余人。
七月九日凌晨三时，吉鸿昌命令继续攻城。抗日军一鼓作气。占领城外要点，敌军退人市内，凭险固守。十日，抗日军攻城不克，战斗打得很艰苦。当晚，吉鸿昌决定亲率敢死队打开缺口。他们肉担旬旬前进，爬城三次，敌人拚命抵御，抗日军伤亡二百四十余人，仍未得手。十一日，吉鸿昌命令抗日军拂晓发起总攻。由于日机不断轰炸，各部官兵仅以大刀血肉相搏，伤亡累累。吉鸿昌遂令各部退守原阵地。人夜后．吉鸿昌暗遣副官及精兵四十余人，扮做商贩，分批潜人城内，其中大部分扮成回民，分住城内五所清真寺中。十二日子刻，抗日军乘天色黑暗敌机敛迹之机，全线猛攻。吉鸿昌率各部祖臂高呼，勇猛冲锋，喊杀声惊天动地。这时，潜人城内的士兵鸣枪响应，内外夹攻。敌军得知抗日军已人城，惊慌失措，无心恋战，遂向城东方向溃败。十时许，抗日军分由南北门攻人城内。巷战肉搏三小时， 日、伪残敌由城东门仓皇逃命。失守七十二日之多伦经五昼夜廖战，终被我抗日将士光复。