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9月17日清晨，刘伯昭下令发起最后攻势。苏炳文的二十八旅从城东的山丘上冲下来，姜春岩的三十七旅从城南推进，杨敢的警备二旅则从城西和城北展开猛攻，将日军的残余兵力团团包围在核心工事内。饭冢国五郎一日数惊，觉得已经不能在坚守，于是率领101师团南下突围，前往龟城
中午时分，朔州城内的枪声逐渐平息，东北军的军旗插上了朔州城的城楼，城内的残余日寇基本都被剿灭，这一仗，刘伯昭以一军之力压着101师团，一路将他们逐走，杀敌万余人。由于是攻城战，第六军的三个旅自身伤亡竟然也达到了将近一万的地步，尤其是警备二旅的几个团更是许多主力连队都打残了。二十八旅和三十七旅做的更多是策应和侧攻的战斗，所以伤亡相对较小。
朔州一战不可谓不残酷！
当第十三集团军的薛岳得知刘伯昭第六军的战报后，也心疼不已，还特意发去电报慰问，并且向刘伯昭保证，一定会让少帅申请到一个喀秋莎团和重炮团配给第六军，减少以后攻坚的伤亡。