1月15日凌晨5时15分，红色总攻信号弹升空，重炮师2团，223师山炮营以及各主力团所辖的迫击炮连一同开火。
“全体装填，标尺三千二，城西城墙碉堡，放！”连长方勇一声令下，12门迫击炮同时轰鸣，炮弹拖着白烟砸向京山西城垛口。城头日军临时搭建的机枪阵地瞬间被炸碎，碎石、木片混杂日军尸体四散飞溅。日军中队长铃木健太躲在城墙内侧坑道，扯着嗓子冲三个小队长嘶吼：“快！重机枪转移暗堡，掷弹筒准备反击！”
山口小队2挺重机枪立刻转移至城墙下层暗堡，密集子弹泼向我方前沿战壕，泥土被打得四处飞溅。664团1营1连连长马强挥手高喊：“机枪排压制城头，爆破排跟上，冲锋！”
一排排长李柱带领三十多名士兵跃出壕沟，弯腰顶着弹雨冲向城墙外围铁丝网。日军池田小队掷弹筒接连发射榴弹，两枚弹片落在队伍中间，两名士兵当场负伤，担架兵冒着子弹冲上前拖拽伤员后撤。
三排排长周福带着爆破小组冲到铁丝网前，安置塑性炸药，引线一拉，轰隆一声，三米高铁丝网连地雷一同炸碎。趁硝烟遮蔽日军视线，马强带领全连冲到城墙缺口下方，梯子架上青砖墙体。
就在登城关键时刻，城内坑道里小野正雄下令释放毒气，黄绿色毒烟顺着北风飘向西城冲锋部队。
“全体戴防毒面具！十秒标准，快！”各排排长厉声喝令，士兵们熟练套上面具，攻势丝毫未停。后方火焰喷射器班组快步上前，两道烈焰喷进日军暗堡，堡内惨叫接连响起，残存日军弃枪逃窜，被二排机枪火力尽数扫倒。
铃木健太收拢残兵退守城墙二层，组织白刃反扑。李柱带领一排士兵登上城头，与山口小队日军贴身肉搏。刺刀穿刺皮肉的闷响、嘶吼声、枪声混杂在一起，一名日军士兵举着三八式步枪刺向李柱，王二柱从侧面扑上，刺刀狠狠扎进日军后腰，当场将其放倒。激战十五分钟，城西城墙全部被1连控制，铃木健太带二十余名残兵向城内街巷逃窜。
城西得手的同时，城南664团2营同步发起进攻。营长陈武下令，5连、6连分左右两路涉水渡河。连长黄兵带领5连士兵踏入冰冷河水，水深没过腰腹，棉衣瞬间湿透，刺骨寒意钻进骨头。
沿河11座暗堡内，高桥野中队三个小队轮番开火，子弹在河面打出密集水花。黄兵抬手示意两侧机枪班压制堡口，三组爆破队员分批次涉水突进。其中一座中心暗堡火力最猛，排长带领4名士兵抵近，将炸药从射击口塞入，轰然巨响后，暗堡彻底坍塌。
高桥野见外围暗堡接连被毁，抽调预备队小队沿河堤反扑，数十名日军端枪冲锋。黄兵立刻令全连收缩防线，依托河岸土坡构筑临时阵地，掷弹筒与步枪交叉射击，日军冲锋队伍成片倒地。激战四十分钟，高桥野中队伤亡过半，剩余一百余人放弃河岸工事，退入城南街巷固守。
城东667团1营1连连长郑凯等候中美航空队支援，三架P-40战机低空俯冲，机炮扫射东门主楼火炮阵地，两门75毫米野战炮炮管受损，操作炮兵死伤大半。
“二排迂回上山坡，一排正面牵制，冲！”郑凯下达命令。二排排长带队顺着东侧土坡悄悄摸至火炮后方，与日军守备小队展开近战。日军小队长挥刀劈砍，国军士兵结成刺刀阵，合围歼灭堡内炮兵。斋藤广中队长见火炮被毁，放弃东门主楼，收拢残兵退守城内街道，依托房屋墙体节节抵抗。
城北方向，667团2营与伪军交火，日军督战小队小队长黑田一见伪军士兵后撤，当场开枪射杀两名逃兵。营长下令分三路包抄，击溃伪军外围防线，黑田一小队被分割包围，全员战死。
四方城墙全部失守，日军联队长小野正雄带着松本健一、渡边小次郎与第4预备队中队，死守县衙地下坑道，剩余毒气手雷全部堆放在坑道出入口。
222师团长秦宏远、223师团长林振山分兵合围县衙，各营抽调精锐步兵连，搭配工兵营爆破连推进。664团3连连长吴贵带队封锁坑道东侧出口，先喊话劝降，坑道内只传来日军疯狂射击的枪声。
工兵营长罗海调来巨型爆破筒，对准坑道主入口安置炸药。随着一声巨响，坑道入口坍塌大半，内部毒气无法向外扩散。残存日军分批冲出坑道反扑，各连分排建立多层阻击线，持续清缴负隅顽抗的日寇。
血战至当日午后14时，京山城内有组织日军抵抗彻底瓦解。日军联队长小野正雄重伤被俘，联队参谋长松本健一、各中队铃木健太、高桥野、斋藤广全部战死；伪军师长张怀安率两千余伪军放下武器投降。
此战新编16军各连排协同到位，炮火、航空、步兵、工兵配合无缝，严格执行战前分层救护方案，伤员十五分钟内全部转运至后方医疗点。拿下京山这座西线第一道屏障后，孙明瑾遵照集团军指令，仅留666团全师驻守城池看管俘虏，其余222、223师不作休整，即刻向东开拔，奔赴天门前线，江汉平原全线反攻的战火，继续向东蔓延。