等五连官兵收拾完战场后赶到涞源县时已是第二天早上十点。早在前天夜里，涞源东、西、南三处城关及外围两处据点已经被顺利拿下，但是由于战况出现变化，部队又退出了城外。
战前八路军的兵力调动并没能瞒住日本人的侦查，为了应付突发情况，日军将涞源城的守军增加到两个半步兵中队。
战斗开始后，守军抵抗的十分顽强，可由于进攻部队佯攻做的很到位，使得守军不得不处处分兵，所以进攻部队没有损失多少力量就攻入城内。
战况有些不妙，不过涞源警备司令小柴俊男大佐一点都不紧张，他自信八路军没那么好的胃口吃掉半个大队兵力防守的县城。?果然，战斗开始后不久，由于八路军攻城部队对北面金家井方向的警戒出了问题，从金家井据点向县城撤退的兵力刚到达战场，八路军以为是援军到了，于是匆匆就撤出城外，只在一些碉堡内留下兵力继续坚守。
二十三日一早，八路军重新调整部署，为防止外围据点内的日军在攻城时再与城内相互呼应。攻城部队除留下部分部队包围县城外，开始调集兵力对涞源外围据点进行清理。
战至上午十时，独立师2团兵力及时赶到战场，两个团分工后继续进攻。至下午一点，下北头、白石口、中庄、王喜洞、刘家嘴等六个据点被全部拿下，涞源城外之敌被我军彻底清扫干净。为防止攻城期间再出意外，指挥部又调集强大兵力对留家庄、金家井、插箭岭等据点进行牵制性围攻。
小柴俊男中佐率部困守孤城，只能眼巴巴的望着周围几个据点被八路军一一吃掉。陆续有外围据点的兵力突破包围逃回城内，看到涞源城的守军逐渐增加到六百多人，他心里又有些侥幸，为了大队的“面子”，他还是咬着牙没有向旅团部请求“指导”。
八路军的攻势惊动了独立混成第二旅团长人见与一中将他的前任就是在黄土领挨了迫击炮弹的阿部规秀中将。为避免涞源和涞灵、涞蔚几条公路线的局势进一步恶化，他没有坐等部下
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