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4月20日下午时40分，日军未再对张家口发动炮击就以战车为前导、突然开始地面推进，让守备的第2师上下颇为奇怪；不过奇怪归奇怪，放进了之后郭锡山团还是让日军战车群饱尝了一顿破甲拳。当先十几辆97改被炸瘫之后，日军战车群却忽然止步不前，紧跟其后的大队步兵则依托战车迅速跃进，**的子弹乃至小炮弹不断击中这些‘完整’的战车却对其间的步兵杀伤不大，导致日军在烟雾弹掩护下得以乘机冲入城关附近的几座石制坚固房屋、和坚守其中的**形成短兵相接之势。连续的爆炸在各个楼房中响起，双方将士在狭窄的屋内都毫不迟疑拉开导火索向对方投掷手榴弹，丝毫不顾及是否会伤及自身；直炸到守备的2师官兵全数牺牲。
4时余，东、北、西三路日军依托占据的城边房屋开始推进，战车也借着日军占据的长城跟下向东、西两侧迂回，北路主力更是迅速沿着南北大街冲入张家口市区纵深，虽然沿途被**用破甲拳和手雷击毁击伤数十辆战车，但日军还是坚强的不断投入战车推开破损的战车、冲开火路不断向南推进，大街两旁的建筑更是被战车炮和车载机枪打的千创百孔；而早前部署到两侧的骑兵大队干脆直扑张家口以南，局势对**顿时危急起来。
张家口市内，除李连祥团在长城争夺战中已被打残外，其余5个团在徐子敬部署下分区坚守各自阵地，徐则自带几个师直属营及李团残部固守核心区。
随着大街上被击毁击伤的战车越来越多，日军终于难以再用战车推进；但几路步兵或者徒步骑兵继续从三面猛攻，第2师的步步为营坚守之余也不断发动小规模反击，不少较为坚固的楼房无不争夺数次、来回易手；随着天色逐渐暗淡，日军也终于知道撞上一个难得的拥有6个团的大编制师，加上战机纷纷返航，地面进攻也不得不小心谨慎起来。
当夜，张家口城里陷入全面混战，虽然多路日军突入纵深，东、西两路日军甚至在城中央会师，但预想当中的华军崩溃却没有发生。相反，虽然日军占据的地盘在逐渐增加，但伤亡增加的更快，第2师依旧分区坚守在各自的阵地上，并且随着日军深入，华军不断投入反击，越来越多的地盘需要反复争夺，双方死伤者堆积如山；迫使饭田将逐次赶到的部队不断投入战斗，运兵的汽车则满载伤员返回。
下半夜，时间在一分一秒的流淌，此时不但冈村宁次已经发觉**有用张家口为饵聚歼该地日军的企图，就是饭田祥二郎和山路秀男也在怀疑当中，日军上下也在越来越多的备战当中，攻势渐缓。
终于，拖延到凌晨2时半，**的反攻总算从张北开始。
日军早有准备，第6战车旅团旅团长佐武胜司正等待着这一刻，60余辆一式战车突然启动向西边黑暗中发起进攻的**展开逆袭；但**一触即溃，转身就逃，日军用子弹和炮弹留下几百人后就听见马群声远去，也不知是骑兵还是乘马步兵。日军付出的代价仅仅是挨到几枚破甲弹和几十枚手雷，但除杀伤少许伴随战车冲锋的骑兵外，大部分一式战车厚重的前装甲成功抵御了大部分反战车武器的轰击。
追还是不追？就在佐武少将犹豫不决时，把握大局的但冈村宁次已经越级下令坚守张北、为南下张家口的机动部队主力稳住后方，不奉令不得脱离张北出击；还下令各游动部队向张北和神威堡两地集中固守。
果不出冈村所料，**随后就对长城边的神威堡发动强攻，密集的迫击炮弹炸的守备的日军第25步兵联队灰头土脸，在中央军炮兵支援下，马家军的乘马步兵单位徒步攻山。第一波被打下去使日军付出了不少火力点被击毁的代价；第二波接着再来，如此反复，不多时，**就伤亡2000余人，死伤者铺满山坡，而日军的百多挺轻重机枪大部分和机枪手一起还原成零件。迫使饭田将附近的预备队调去增援，并命令监视东部的骑兵主力火速西援，同时调已经无法再战张家口的第战车联队东进填补骑兵走后的空缺。
然而随着黎明的临近，不但神威堡战火依旧，**不断投入新锐兵力强攻；张北方面**也数次出动骑兵冲击，虽每次都被击退，但日军的战损也逐渐增加；迫使日军将一个又一个步兵大队乃至骑兵中队投入反复争夺，大批后续部队也向西拥去。而张家口本身，在几万日军围攻之下，第2旅已经损失大半，第、4旅也损失近半，和师直属队背靠背之势尤在张家口东、西两块狭小抵御内坚持，日军攻击部队也已伤亡过万，伤兵如潮。
见突击兵团西重东轻，害怕**打一个声西击东，冈村宁次下令刚调来的第44师团沿河推进至石嘴子掩护东侧；果然，该部前卫骑兵搜索队刚赶到石嘴子，晋绥军一部就从东面对其发动进攻，连同正在赶往石嘴子的第44师团行军纵队也遭遇规模不小的袭击，双方打成一团；又迫使冈村宁次继续抽调援军。还不放心，再次让参谋部一个师一个师的查，分析附近**还有多少部队，得到的结论是不超过4个师，才让冈村松了一口气，派出就近最后2个师团牵制，之后倒头就睡着了。
应该说日军的侦察和分析的很正确，正在逼近张家口、试图绝地大反攻的部队的确只有个师，但这个师是第5、第20和第29师，另外傅作义派出他的老底第0师正在扑向乌拉哈达、西甸子、朝天洼一带准备阻拦南下的日军增援，只不过夜行军速度不快，天亮之前还在离日军搜索幕不远处休息了一个小时。
2日晨5时5分，4个精锐师的搜索分队及突击队开始乘着黎明前最黑暗的时刻向日军摸索前进，借着张家口方面爆炸和燃烧的亮光，不断用冷兵器解决一个又一个日军骑兵搜索分队，偶尔的枪声也在张家口方面激烈的枪炮声背景下无人注意。
5时7分，随着天色渐亮，第20师终于在前屯附近摸哨暴露，引发双方第一次激烈交火，惊醒了日军，全面战斗于是爆发。
最先开打的是首先天亮的空中，好久没有出现的**战斗机群突然临空，且全部是新锐的p5野马式战斗机，40多架700公里/时的高速强火力、分三路从南到北横扫多过自己一倍的日本战机，当场击落日军轻轰、司令部侦察及战斗机等共20余架，打的其余日机逃之夭夭。
随即第20师和第29师分从东、西两面攻袭正在进攻张家口的日军背后，早有准备的日军分以2个步兵旅团为主的兵力阻拦，但他们立即就遭到出乎意料的强大压力，前哨阵地被连连击破，精确而密集的轻火力近程覆盖整个战线，使原田次郎和福荣真平不约而同向饭田祥二郎呼叫：“我军面前出现华军强有力一军进攻！”
由于空中混乱，日军的第一波侦察幕被打乱甚至击落而未能及时完成清晨搜索任务；第00和第02师团的呼叫使冈村和饭田都错误的估算了**部署，误以为**将所有兵力都投入张家口东、西两面的反攻而作出了错误的决定：向这两个地方派出最后的增援。于是当一贯走运的林育容率领第5师从长城外东面杀近张家口时，饭田只能用被打伤的、正在休息的骑兵单位进行抵抗了。
山地作战，还是防御作战，骑兵的尴尬可想而知，若非2个炮战车（日军对自行火炮的称呼，史实）中队勉强开上山坡实施近距离火力支援，一线处于徒步状态的各骑兵中队连第5师的第一次冲锋都差点支持不下来；而陷入各个战场的日军主力却已来不及抽调，当陈世椿发动第二次冲锋后，骑兵的抵抗迅速崩溃，来不及撤退的炮战车也被破甲拳击毁近半，狼狈不堪的和剩余的骑兵一起逃下山去，连通张家口的南北大路彻底敞开了。
被仓促摇醒的冈村宁次闻听后不觉长叹一声，不得不下达实施备用计划。
顷刻之间，围绕张家口的各路日军纷纷向长城沿线退却，空中大批战机也再次光临，不顾**野马的攻击将炸弹投在**追杀的道路上。而附近原本长城以北的日军则全部向第5师方向推进；但这种战场上全线撤退是要付出惨重代价的，几乎每一路日军后队都成百上千的丢下战死者的尸体。