七月五日，吉鴻昌根據多倫及其周圍地區的敵情報告，在大柳樹村召集抗日軍前線主要將領會議，決定分三路進攻多倫城：左路集結牛眼睛一帶，右路集結馬前溝一帶，總預備隊集結新舊邊牆一帶。抗日同盟軍左路之先鋒軍，當天即開抵多倫近郊前後七裏河、前後孤山等地，遇敵前哨百餘，被擊破。六日，各部均已向指定地點集結完畢。七日．吉鴻昌命令各路抗日軍開始進玫，中路進逼黃土灘子一帶，左路進逼大廠一帶．右路進逼破窯掛一帶，吉鴻昌率總預備隊進駐前後孤山。 日軍在連失三城的情況下，推恐多倫不保，派出三架飛機，環繞抗日軍的陣地進行偵察。官兵見之，義憤填膺，士氣更旺。夜十一時，開始圍攻多倫。翌日拂曉，抗日軍奪取敵軍戰壤兩道。天亮後，日機數架擲彈轟炸抗日軍陣地。下午六時，抗日軍右路占領多倫西倉西端及菜園等處，敵軍紛紛向城內逃竄。這次戰鬥繳獲敵軍步槍一百餘支，重機槍三挺，戰馬一百五十七匹，俘敵二百九十餘人。
七月九日淩晨三時，吉鴻昌命令繼續攻城。抗日軍一鼓作氣。占領城外要點，敵軍退人市內，憑險固守。十日，抗日軍攻城不克，戰鬥打得很艱苦。當晚，吉鴻昌決定親率敢死隊打開缺口。他們肉擔旬旬前進，爬城三次，敵人拚命抵禦，抗日軍傷亡二百四十餘人，仍未得手。十一日，吉鴻昌命令抗日軍拂曉發起總攻。由於日機不斷轟炸，各部官兵僅以大刀血肉相搏，傷亡累累。吉鴻昌遂令各部退守原陣地。人夜後．吉鴻昌暗遣副官及精兵四十餘人，扮做商販，分批潛人城內，其中大部分扮成回民，分住城內五所清真寺中。十二日子刻，抗日軍乘天色黑暗敵機斂跡之機，全線猛攻。吉鴻昌率各部祖臂高呼，勇猛衝鋒，喊殺聲驚天動地。這時，潛人城內的士兵鳴槍響應，內外夾攻。敵軍得知抗日軍已人城，驚慌失措，無心戀戰，遂向城東方向潰敗。十時許，抗日軍分由南北門攻人城內。巷戰肉搏三小時， 日、偽殘敵由城東門倉皇逃命。失守七十二日之多倫經五晝夜廖戰，終被我抗日將士光複。