二十日拂曉，三架機翼上塗着大紅太陽的飛機呼嘯而來，對着長治城投彈掃射，炸死我平民十餘人，一些人被炸得血肉橫飛。飛機還沒有飛走，日軍集中火炮轟擊北城門。城垣上爆炸煙霧四起，磚石亂飛，城樓燃起熊熊大火。數十挺重機槍又猛烈地咆哮起來，掩護着步兵衝鋒。這次鬼子兵一直衝到城牆下，不見有人還擊，竟以爲經過一夜的火力打擊，城內早已空無一人，守兵撤退殆盡，於是搬來雲梯開始在光天化日下大大咧咧地爬城。
正當鬼子擁擠在城垣下的時候，守城兵突然從防炮洞中冒出來，手榴彈如雨點般地從天而降，步槍、機槍一起開火，打得鬼子一陣亂竄，丟下遍地屍體，在重機槍的掩護下狼狽後退。
二十一日上午九時，鬼子集中火炮再次猛轟北城，用一千多發炮彈將城牆炸開一個大缺口。隨着城垣被炸開這個缺口，激烈的戰鬥驟然升級，雙方圍繞這個口子展開了拼死的爭奪。
在北門督戰的團長熊崗陵一看城牆破口，立即命令身邊的一名排長帶領全排填堵。該排長接受任務自知必難生還，將自己所佩的證章摘下來交給連長，說：“我決定犧牲報國，別掛念了。只希望兄弟們繼續奮鬥到底！”帶領全排冒着密集的炮火衝上缺口，一個排最後活下來的只有三人，包括排長在內的兄弟們全部犧牲在缺口上。
敵人看見缺口打開，產即集中了幾乎所的機槍封鎖缺口和周圍的城垣。機槍子彈打在磚石和泥土上，濺起數不清的土花，一些子彈打在城磚上，一經反彈便“吱、吱”叫着亂鑽。猛烈的機槍壓住守軍的火力，一羣鬼子在機槍的掩護下涌入缺口向兩側城牆猛攻。守在城牆上的連長楊顯模、夏撫濤率領部下在城頭拼命堵截，用手榴彈和刺刀兩次把衝上城牆的鬼子趕下來。
又一個梯隊三百多鬼子在猛烈的機槍火力的掩護下，踏着那些橫七豎八的死屍攻上城牆。一見鬼子上了城，連長楊顯模振臂大喊：“弟兄們，跟我來，消滅鬼子，殺！”身先士卒，迎着鬼子明晃晃的刺刀說衝入敵羣，在狹隘的牆頭展開拼殺。
夏撫濤連長也在缺口的另一側牆頭和鬼子展開肉搏。
敵人不斷用火力對我進行壓制，後續不斷涌入，終因我寡不敵衆，衝上牆頭的鬼子牢牢的控制了缺口。楊顯模連長胸部被刺五刀，光榮犧牲。夏撫濤連長頭部中彈，爲國捐軀。
鬼子控制住缺口，戰場的形勢迅速發生逆轉。
敵機兩架飛來低空掃射。飛行員精湛的駕駛技術和準確的射擊本領爲城牆上的日軍提供了極大的火力支持。飛機幾乎貼近牆頭、沿着城牆的延伸方向反覆掃射，馬達聲震耳欲聾，機槍子彈把死亡灑向那些毫無對空能力的草鞋兵。城牆寬不過五米，根本無處躲藏，用砂袋堆成的工事只能防護水平方向射過來的子彈，對空中的打擊根本沒有掩護作用。城牆上的守兵不斷被打倒，不少士兵被打得滾下城牆。涌上城牆的鬼子則在飛機的掩護下向缺口的東西兩側城牆推進。
旅長李克源看見鬼子上了城，立刻派參謀李浩東督師向佔據牆頭的鬼子****。城牆上的鬼子居高臨下架起機槍，用猛烈的火力壓住我****的隊伍，迫使我****逆襲的部隊在內城牆下無法施展，反而在機槍的火力的掃射下頻頻栽倒，傷亡慘重。
團長熊崗陵冒着彈雨火線指揮，不顧機槍子彈帶着尖銳的叫聲在耳邊亂飛，指着城牆缺口大聲命令第二營營長楊嶽岷率預備隊一個連跟進，組織力量向缺口****。可是這個連在衝向缺口時大部犧牲，餘下的也被敵人的機槍火力壓得擡不起頭，不能進展。
用炮火撕開口子的敵人抓住時機不斷擴大戰果，有二百多鬼子在機槍的掩護下跳下缺口，一邊掃射，一邊衝入北門大街，和我進行逐屋爭奪。此時營長楊嶽岷退入街區，一面指揮巷戰，一面親自帶了二十多人向鬼子後面迂迴包抄，不幸在衝鋒時被一串機槍子彈射中，腰腹幾乎被截斷，砰地倒地，頓時犧牲。
北城牆一失守，東、西兩門守軍立時受到城牆上和城牆外的夾擊，再加上天空中的俯衝掃射，傷亡陡增，所剩無幾，終於不能支持。東、西兩門也相繼失守。鬼子乘勢從東西兩門衝進城來。
李克源一看北、東、西三門均失，立刻命令團長熊崗陵帶領二營餘部向西阻擊。這個二營餘部己經是李克源手中最後一支預備隊了，派出二營後，李克原立刻又將旅、團的參謀、警衛、電臺及火夫等全部集中，拿起武器組成總預備隊，命令參謀李浩東率領其中百餘人增援阻擊攻入東門之敵。
此時的長治城已經成了一片戰鬥的火海，除南門一隅外，無處不在拼殺。敵人持有火力的優勢，又佔據着三方城牆作爲制高點，以猛烈的機槍火力掃射我衝鋒的部隊。我僅有的機槍己多數被敵人摧毀，僅餘的也被敵人火力壓制，根本無法爲我反擊的部隊提供掩護，我前赴後繼的士兵不顧被整排整排地被機槍子彈打倒，依然勇猛衝鋒，鮮血染紅了街面。戰鬥進行異常慘烈，白刃格鬥，甚至拳腳、牙齒相加，形成拉鋸，敵我雙方死傷無數，屍體橫街，道路堵塞。
在長治東北方向高地的一○四師直屬部隊，看見城內危急，多次向圍城的鬼子發起攻擊，企圖增援城內守軍。可是擔任阻擊的敵人以強有力的部隊和火力進行阻隔。增援部隊根本無法打破敵人對長治的圍困，反而徒增傷亡，無有進展。在長子城郊的一七八師經過長途撤退，正在李家鈺的親自指揮下進行收容，尚未形成戰力，也無從增援長治。
此時在晉南作戰的軍隊以中條山爲界被劃分爲東路軍和西路軍。四十七劃歸東路軍，東路軍的總指揮爲八路軍總司令朱德、副總指揮爲彭德懷。當長治激戰時，彭德懷親到距長治不過五十公里的高平縣指揮各部。李家鈺眼看長治難以維持，急電東路軍總指揮部請求支援。彭德懷得到李家鈺來電，立即命令在晉城的趙壽山師向北急援。可是趙壽山師兵不過兩團、輕重機槍各不過七八挺，每個士兵也不過只有七八排子彈，戰鬥力實再有限。趙壽山奉命派出的援兵走到高平以二十里的康營村時，便停止北進，觀望不前。
戰鬥進行到下午，我軍彈藥消耗殆盡，城外絕援己成孤城，戰鬥力漸減。要李克源見狀，己知無可再行支持，乃報請軍、師，決定棄城突圍，保存最後一些力量。李克源來到南城門，看見正在指揮同東西兩城牆敵人作戰的的三營副營長龍暉，命令道：“部隊準備在南城門縋城突圍，快作準備！”說完之後，李克源又返回城中心，指揮預備部隊逐街逐巷戰鬥，輪番掩護後撤。
龍暉受命，立即帶了幾個兄弟到民房中收集繩索，最後找到一些套馬索、大車繩之類，系在城牆垛口。深夜之後，退到南城牆的部隊逐漸縋城突圍。
從南城牆縋城而出的兄弟一共有四百餘人。一○四師三一二旅六二四熊崗陵團在城中共戰死千餘人。旅長李克源、副旅長李光淵、副團長杜長鬆、參謀李浩東等均負重傷。未能撤退出城的官兵全部拼殺至死。一些重傷官兵在城中自爆自戕，壯烈殉節。排長高起予重傷之後，把自己的軍校證章交給身邊的士兵，託付帶回。隨後抓起一支步槍，推彈上膛，雙手握住槍管緊緊地抵在自己的太陽穴上，用大腳姆指踩着扳機，用盡平生最後的力氣猛地一蹬——“砰”的一聲，一顆彈丸穿過英雄的頭顱，帶着一串血絲飛向天空，英雄殺身成仁了。
在城中陣亡的蒲江縣籍官兵有連長楊顯謨、文書上士楊開樹、二等兵解子成（33歲）、李玉昌（23歲）、李林（27歲）、洪太長（27歲）、陳茂先（26歲）、陳茂青（20歲）、楊玉堂（22歲）、唐科舉（26歲）、丁建堂（24歲）等。
四十七軍在長治、東陽關英勇作戰，儘管東陽關和長治城最終陷於敵手，但仍受到晉東南民衆和國人的高度評價和讚揚。一七八師在轉移長子縣的途中，有兩名傷兵筋皮力竭，開始是跟在大隊伍的後面走，後來終於掉了隊。正在惶恐之中，遇到黎城縣縣長何公振帶着幾個人在城外巡視，看見是我掉隊傷兵，立即予以安頓和收治。傷愈返部之時，何縣長特地託這兩位叫李平和周玉清的傷兵給李家鈺了一封信。當李家鈺從信封中抽出信籤展開時，一紙工整的蠅頭小楷映入眼瞼：
李軍長麾鑑：
東陽關之役，貴軍官兵英勇抗敵，經一週血戰，日寇傷亡千餘，我忠勇官兵作戰壯烈犧牲者亦在二千人以上。黎城民衆對此可歌可泣之事極爲崇佩敬仰，久而難忘，除陣亡官兵由地方民衆清理埋葬舉行追悼及負傷官兵已由地方政府收容治療外，並在東陽關建立“川軍抗日死難紀念碑”一座，在皇帝陵建川軍廟一所，每年二月十七日演戲一日，以志不忘。
黎城縣縣長?? 何公振??敬上
李家鈺看畢信，一陣鼻子發酸，雙眼發澀。於是閉上眼睛，心潮起伏，思緒良久。繼又睜開眼睛，久久地盯在信函上，連嘆：“不負民衆了，晉南民衆知我也！”隨即下令將此信昭示全軍，人人必讀。以至後來很多年，一些官兵尚能背誦。
另據國民政府中央通訊社電稱：“李家鈺部前在東陽關、長治一帶抗戰，其可歌可泣之事甚多。該軍器械不如敵軍之優越，然官兵犧牲之精神，莫不令人敬仰。在長治城中，全團殉城死節，子彈完後，繼以槍頭拳腳與敵巷戰肉搏，斃敵達兩千左右。官兵寧願餓死，不願掠奪，深爲民衆所景仰。現潞城至黎城途中，民衆自願爲該軍修建廟宇及紀念碑甚多，大小廟宇，皆立該軍陣亡將士神位，堪爲我軍之表率。”
又有中共中央南方局機關報《新華日報》刊載《長治我軍苦戰，有極壯烈犧牲》，稱李家鈺所部“堅守長治四門，苦戰累日”，城破後“我守城司令李克源等督率士兵，肉搏巷戰，殺敵極多”，“營長楊嶽鬆、連長夏撫濤等血戰不屈，爲國損軀”。
李家鈺四十七軍在戰鬥中不屈不撓、前赴後繼的精神，不僅受到我國軍民的讚揚和肯定，甚至也受到了他們的對手的敬佩。日本民族是一個崇尚武士的民族，以敢於犧牲、敢於以死殉節爲武士精神的最高境界。從封建割劇的慕府時代開始，到明治維新之後，一直以武士精神爲立國之本，以忠君、武勇、不怕死的傳統精神教育國民和軍隊。在這種獨特的教育方式下，它的軍隊極端鄙視和瘋狂殘殺俘虜，卻也往往對於敢同他亮劍拼殺至死的對手報以尊敬，而不論是自己或對手最終倒在地下。
日軍戰領長治後，一些僥倖逃脫屠殺的老百姓和一些被老百姓隱藏起來的傷兵都看到了這樣令人奇怪的一幕：日軍將城中陣亡的四十七軍官兵千餘人移屍南門外予以安葬，然後一隊一隊排着整齊的隊伍來到安葬地點立正站立。軍官“依裡哇啦”訓話後，下令其“大日本皇軍”官兵列隊焚香脫帽，向我官兵公墓敬禮，對這些與自己拼死搏鬥、英勇犧牲的“支那兵”表達敬意。