在日军增援部队到达东门前，土坦克顺利的把炸药包送了上去。城墙被炸出三个十多米宽的缺口，趁着烟雾弥漫的档口，部队一拥而上，从突破口迅速突入县城内。
听到巨大的爆炸声，原田寅良中佐在指挥部里知道大势已去，给旅团部发了封诀别电：“昭和十五年九月二十一日，寿阳县城，独立第14步兵大队与延安军386旅激战，敌使用各型火炮约六个中队，五十分钟后城破，巷战在即，大日本帝国万岁！”等旅团部准备询问具体战况时，原田已经把电台给砸了。
巷战中，部队人数比单兵作战技巧更为重要，“蚁多咬死象”就是这个道理。日本兵的枪法优势被城内狭窄地形所抵消，战斗往往逐墙逐院展开，手榴弹甚至比机枪还管用。当然，八路军还是遇到了不小的麻烦，日军的白刃战水平实在太强，正面对决时，新战士往往一个照面就被对手放倒。只要给三四个鬼子凑成阵型，十来个战士围着都打不开缺口，而对方却能抽冷子反击一下。
巷战并没有持续多久，386旅的伤亡人数就达到了二百人，几乎是之前攻城时的伤亡一倍多，要不是一些机灵的干部战士在白刃战中开枪，恐怕至少得三百挂零。
战至上午九时，日军残兵三十余人退回驻军指挥部死守，八路军也不愿意多添伤亡，他们集中了百余名战士同时往里面扔了两轮手榴弹。
是役，386旅伤亡官兵三百四十二人，耗费七九口径子弹七千二百发、六五子弹二千七百发、其他杂项子弹三千发，消耗手榴弹四千二百颗，消耗八二迫击炮弹一百零四发、九二步兵炮炮弹七十二发，损耗步枪六十七支、捷克式机枪一挺。
在县城里的缴获也很丰富，虽说在作战守军的武器损失也很大，可留下来的部分依旧让386旅上下非常满意。日式刺刀六十六把、三八式步枪九十四支、掷弹筒三具、歪把子机枪两挺、九二式重机枪一挺，修复后还可以使用的九二步兵炮一门；六五子弹三万七千九百发、七七子弹四万六千发、手雷八百发、掷榴弹六百发、九二步兵炮的炮弹三百五十三发。在警备队那边的缴获也不少，捷克式三挺、七九步枪一百三十支；手榴弹六百五十枚、七九子弹三万三千发。
前后两战，386旅以伤亡官兵五百六十余人的代价，消灭日军二百五十二人、俘虏一人，消灭伪军七十四人、俘虏一百三十三人，并顺利占领寿阳县城。缴获除武器弹药外的大量物资，光是粮食就足够参战部队两个月的食用。
寿阳是正太路上的一个交通要点，这次时间充足，在接下来的两天内，386旅发动群众扒走了二十四公里的铁轨，另，破坏了十七公里的路轨与枕木，并将寿阳县城的城墙扒开十余个缺口。这是八路军战史上第一次通过攻坚战收复一个县城，这也是八路军不多的能够“收支平衡”的战斗。
在386旅拿下寿阳的当天，?杨成武指挥八路军独立第一师对涞源一带发动了进攻。按照战前部署，独一师第1团主攻涞源县城，2团解决三甲村，3团进攻东团堡。和386旅一样，上级不但调来六门九二步兵炮，还特意调来二十发日式七五山炮的炮弹。