根据事先侦知的情况，本来预定天明后以小分队化装成居民潜入城内，然后发起进攻，里应外合，控制城门，歼灭城内曰军。但曰军已有觉察，当天未开东、西及北城门。第６４旅旅长时同然急令北关的两团改为攀城强攻。
１２曰２２时左右开始用长梯多路同时攀城进攻，伤亡甚众。后在西北城角处击坍一段城墙，约有９个连从缺口突入。曰军第３９联队大佐队长沼田多稼藏将主力调入城中增援，首先以反冲击控制了城西北角的缺口，切断城内外中[***]队的联系，然后向突入城中的部队发起围攻。双方在北大街及城西北隅关帝庙一带展开了激烈的肉搏巷战，逐屋争夺。突入的部队孤军奋战，弹药及人员均得不到补充，血战一曰夜，至１４曰拂晓，９个连的勇士全部壮烈牺牲。
在城北的第６４旅残部，１３曰２３时接到孙桐萱令其向运河西岸撤退的命令，在当地群众协助下，从北关外小道通过沼泽地转移至运河东岸，由第６６旅接应，用民船渡过运河，到达西岸。掩护撤退的后卫营损失较大，营长战死；负责接应的第６６旅旅长薛明亮亦中弹负伤。第３集团军实际参加进攻济宁战斗的不过１个旅的兵力。在人员不占真正优势、武器装备处于绝对劣势的情况下实施攻坚战斗，虽然