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内日军就开始直接面对晋绥军和学生军的猛烈攻击。 对方的炮击，可以直接打到城内，令防守的鬼子兵苦不堪言。 而且学生军故技重施，又开始在城墙外大肆进行土木作业，准备直接炸毁城墙，吓得城墙上的鬼子惶惶不可终日。
在无计可施的情况下，多田司令官觉得，已经有足够的理由向大本营解释自己的行为时，他便悄悄组织部队，偷偷撤出了大同城，急急向东北方向退却。
多田司令官知道，这一路上都没有日本友军驻守，只有回到东北关东军的怀抱，才算是得到真正的安全了。 所以他一路上不敢停留，跑得比兔子还快。 日军士兵垂头丧气，拉出老长的行军队伍。 若不是拉赫曼诺夫的苏联志愿航空队已经离去，光用轰炸就可以将日军彻底击溃！
而傅长官在攻克大同后，并没有紧追不舍，只将日军撵出晋省境外，重新控制长城天险之后，便收兵不追，开始就地打造新的长城防线。 学生军也同样停下了脚步，进入大同城内休整，并就地扩军补充战损编制。！