4月20日下午3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128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，国军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、和坚守其中的国军形成短兵相接之势。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128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，虽然沿途被国军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，局势对国军顿时危急起来。
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128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128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国军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，国军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国军展开逆袭；但国军一触即溃，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，国军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，国军就伤亡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13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，国军不断投入新锐兵力强攻；张北方面国军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382旅已经损失大半，第383、384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。
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