畢力格所部成功奪取礦區的同時，吳秀達所部也順利攻入了城內，日軍第二十六師團師團部的殘兵退守內城，戰鬥進入慘烈的巷戰。
原本馬錚已經做好所部苦戰的準備了，卻沒想到事情竟然在這個時候發生了轉機，大同城內的僞軍步兵兩個團的殘兵竟然起義了。他們殺死僞軍指揮官和日軍顧問，然後反攻日軍第二十六師團部，儘管沒能一舉拿下日軍指揮部，但是卻給日軍造成了極大的恐慌，有組織的抵抗瞬間變成了無序的潰逃。
吳秀達所部趁機加大進攻力度，快速奪取城內的重要設施，戰鬥進入了尾聲。
凌晨五點半，經過四個小時的戰鬥，大同城守軍徹底崩潰，這座晉北重鎮被收復。
隨後馬錚命令吳秀達所部一邊肅清城內的殘敵，同時抽出主力一部趕往老閣山支援呼延兵所部，無論如何要將原口大佐的步兵第12聯隊殲滅。
至此，這次戰鬥已經將日軍重兵把守的大同城、天鎮城以及大同礦區全部攻了下來，戰鬥進入了另一個階段。
第一階段的戰鬥結束之後，接下來就是打掃戰場階段。相比於面對面的戰鬥，打掃戰場的工作就顯得繁瑣多了。
由於這次部隊不但將大同礦區全部企業都拿下了，就連大同城也打了下來，所以要往回運的物資實在太多，除了繳獲的日軍儲存在大同的戰略物資之外，主要還是那些大型的採礦設備和挖好的煤炭最難運。
好在此次畢力格所部打下一個日資控制的運輸公司，繳獲了三百多輛大型卡車，另外大同和歸綏之間原本就是有鐵路相連的，而大同城內也有不少火車皮，所以運輸工具倒是不缺，所缺的只是時間。
要知道現在正是秋天。天亮的比較早，五點半已經就矇矇亮了，最多半個小時天就大亮了。一旦天亮了，日軍的飛機就會出動。到時候對於馬錚所部搶運物資是一個絕大的威脅。
不過那也沒辦法，誰讓在空軍方面中國向來是比不上日本，挨轟也是情理之中的事情。
不過最讓馬錚擔心的是怎麼才能將這次解救出來的七八萬礦工送回根據地，要知道這些人被日本人折磨的不成人形了，儘管絕大多數的礦工還能走得動。但是身體卻很虛弱，一個個瘦骨嶙峋的，指望這些人徒步走幾百公里反迴歸綏那是不現實的。要是強行行軍的話，能有一半活着回去就不錯了。
另外還有一部分人則是特戰隊員從死人堆裡以及日本憲兵隊的秘密監獄裡救出來的，這部分人已經到了瀕臨死亡的邊緣，必須現場救治完才行送回根據地。
所以思考再三，馬錚還是決定命令所有的火車先不要忙着運戰利品和裝備，先把這些礦工運回去。
不同於這個時代的普通軍官將武器裝備以及錢財看的那麼重，在馬錚眼裡最寶貴的還是人。只要有了人就會有希望，只要人還活着。哪怕土地都丟掉了都不可惜，總有一天會全都奪回來的。
別看這些礦工現在都不成人樣，但是隻要回到根據地調養一段時間，這些人都是可以上戰場和鬼子面對面死拼的真英雄。要知道這些人可是被日本人欺辱慘了，對於日本人的恨絕不是一般的人所能想象的。
儘管大同城外的戰鬥還在繼續，但是搶運人員以及物資的另類戰爭已經開始了。或許日本人現在還沒有反應過來，但是日本人也不傻，等浩浩蕩蕩的車隊向着集寧一線搶運設備以及現成的煤炭、糧食等物資的時候，日本人肯定會反應過來，到時候日本人必然會全力阻止馬錚所部搶運的。
好在這些礦工也比較支持馬錚所部的工作。知道現在時間趕得比較緊，因此只要身體素質還行的就全都留下幫助馬錚所部拆卸設備以及將戰利品裝上車。
七點鐘，天已經大亮了，送走剛剛裝好車隊之後。馬錚命令各部隊立即停止活動，部隊就地駐防，礦工立即躲入附近的山林裡，以防日軍的空軍進行報復。
而此時閣老山的戰鬥也進入了尾聲，日軍第12聯隊基本上被消滅的差不多了，剩餘的不到千餘人的殘部被包圍在閣老山以北三公里處的一個山樑上。覆滅在即。
事實上原口大佐早在五點多就接到了大同第26師團部發來的玉碎電報，所以當時原口大佐就準備撤回烏拉特前旗，大同陷落之後他的援兵也就失去了作用，所以當時原口大佐就準備立即撤出戰鬥轉移到安全的地方，免得被支那人包了餃子。
可以他意識到危險的時候已經晚了，呼延兵所部死死纏着他們不願意放手，日軍後退呼延兵所部就直接壓上來，直至援兵的到來。
7點半，在傷亡超過70%之後，原口大佐最終決定向八路軍投降。
他不怕死，但是明知道已經沒有了突圍的希望，再堅持下去就是在拿士兵的生命做賭注。儘管原口大佐也清楚，一旦他下達了投降的命令，那麼它必然會被大本營列爲罪人，即便八路軍不殺他，大本營也會處決他的。
但是原口大佐不在乎，他在乎的是麾下這一千多士兵能不能得到八路軍的饒恕，保住性命。在得到八路軍一線指揮官的點頭同意之後，第12聯隊選擇了投降。
第二天天剛剛亮，外面還只是灰濛濛的，日軍的飛機便來了。好在馬錚知道沒有制空權的情況下和鬼子的空軍頂牛的下場是什麼，所以早就命令部隊在天亮前便撤出了陣地，全軍全部隱蔽到了大同城外的廣大礦區。
大同城外別的沒有，廢棄了的煤窯還真不少，別說一個步兵師了，就是一個集團軍也能藏得下。日軍空軍部隊在大同城外晃悠了半個多小時，除了看到個別的幾個日軍之後，連敵人的影子都沒有看到。
但是日軍還是不死心，駐蒙軍司令部已經和天鎮、大同以及礦區的鬼子聯繫過了，結果卻是一個都聯繫不上。
失聯是一個很敏感的詞，在這樣的情況下失聯很有可能意味着戰敗，已經被馬錚所部攻佔了。
無奈之下駐蒙軍司令部只得命令增援天鎮的日軍第19聯隊加緊速度趕往天鎮，同時命令獨立混成第二旅團必須與今天上午抵達大同城下。
上午八點一刻，懷安方向的日軍終於出現在了天鎮城東，隨即雙方陷入了激戰。
與此同時，着急了的日軍駐蒙軍司令部緊急向華北方面軍司令部求援，請求華北方面軍司令部立即派出附近有力的部隊增援天鎮和大同。蔚縣、逐鹿、懷安等地額的日軍紛紛行動了起來，馬錚所部突如其來的一擊徹底打亂了日軍的佈置，倉促的投入戰鬥。
得知馬錚所部已經打下了大同城，八路軍總部大爲高興，當即就發來賀電。同時也讓馬錚所部一定要戒驕戒躁，決不能輕敵大意。
同時八路軍總部電令120師、129師、晉察冀軍區、冀中軍區等部隊立即相機投入戰鬥，趁着日軍都在增援大同的時候擴大底盤，收復失地，一時間整個華北地區都在打仗，徹底亂成一鍋粥了。
由於日軍上下的目光都集中到了大同，所以周圍的日軍都在收縮兵力，這給了八路軍一個好機會，迅速出擊，將晉北諸縣的日軍據點一一拔除，各部隊都有所斬獲。(。)