7月31日黄昏，大同前线指挥以7旅（欠第21团）和358旅715团攻北关，7旅21团攻击御河以东的国民党军，358旅（欠715团）攻南关，晋绥5分区2团攻西关晋学院的战斗部署，要求部队在7月31日24时前全部到达预定位置，等待8月1日凌晨1时，发起攻城的攻坚战。
攻城开始后，战斗异常激烈，715团从城西北向板营盘进击，一路打到面粉公司的大楼。国民党军士兵无路可退，缩进了面粉公司大楼内。.715团2营正好从上武庄经雷公东侧绕到板本营盘南侧，便在大楼的后侧实施爆破，转眼间，面粉公司的大楼灰飞烟灭，不少国民党军士兵被压在里面活埋了。少数眼快手快腿脚快的国民党军士兵，跑出了大楼的，成了俘虏兵。
城西的仗打得鲜亮之时，城南的仗也打得精彩。358旅8团1营和2营一路所向无敌，他们攻占了车站北端的碉堡后，经过数度争夺战，最后沿车站向北的大街大部被攻占。一直到下午4时，南关的国民党军除部分退守在烟酒公司大楼内外，其余全部被肃清。.
城北城西城南攻下后，城东却是一块硬骨头。城东是国民党军重点布防的地方，地形比较开阔，有众多坚固的碉堡工事，有密集的火力配备。7旅21团在进攻的起初就遇到了困难，一度不能接近国民党军，战斗到拂晓还没有进展。夜间，21团没有攻下城东，白昼转为防御。国民党军凭借坚固工事和充足的弹药，白天即在坦克、飞机支援下向21团实施了反冲击。
到8月1日下午4时许，21团还在城外奋勇抗击国民党军的反冲击。.与此同时，715团和8团在向大同城中心拓展时，遇到了城东增派过来的国民党军的抵抗，进展也比较缓慢，迅速攻取大同城明显比较困难。大同指挥部决定，改速战速决的战略，为有计划地集中兵力、火力于若干重点，采取改造地形、挖交通壕接近等方法，求得逐渐消灭国民党军，最后解放大同。
张宗逊司令员在“八一”建军节的这天晚上，向党中央、中央军委和主席致电，送去了一份歼灭大同1200多名国民党守军的贺礼。
就在张宗逊致电延安的同时，绥远的傅作义接到阎锡山的“增援”呼救。傅作义觉得大同失守，对自己不利，于是，他为了保卫大同，采取了“打将保车”战略，调集了14个团万兵力向集宁解放区进犯。
中央军委为集中兵力消灭傅作义的部队，命令358旅于8月4日夜撤出战斗，调回绥远，其他部队也到9月17日，全部撤离大同……
大同战役草草收兵，实属无奈。事后，多次总结近期的归绥、包头、大同等战役国共两军交手的经验教训时，特别强调要相对集中优势兵力，有重点地歼灭有生力量；围城的目的不是得城，而是打援。
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