9月10日凌晨2点，上党战役正式打响，太行纵队在秦基伟司令员的指挥下，开始向屯留县守敌发动进攻，在清除县城外围阵地的战斗过程，一点看不出这是佯攻，仗打得坚决也打得很苦，日本人用钢筋水泥构筑的暗堡工事形成的交叉火力，给缺少重炮的八路军突击部队造成了很大的伤亡，太行纵队攻击受阻，随即采取土工掘进的战术，将战壕挖到敌人暗堡近前，再用炸药包炸掉敌人的暗堡火力点，这样的战术慢是慢了点，但是很奏效，攻击部队战损大大降低，太行纵队用了一天一夜时间，终于将屯留县外围火力点全部拔除。
9月11日太行纵队开始攻城，让八路军始料不及的是防御县城的晋军打得极其顽强，敌人利用并不很高的城墙居高临下，利用轻重机枪和冲锋枪把只有云梯攻城器具的八路军整排整连的打倒在城墙下，城里的山炮、步兵炮、迫击炮把城外八路军掩护步兵攻城的重机枪、迫击炮打翻在地，攻城严重受阻，攻城部队对城里只有一个团的晋军情报深表怀疑。
其实，屯留县城驻守的晋军确实只有一个团，不过这可不是普通的团，而是晋军19军的教导团，是四个营编制的加强团，这个团有两个营是由上千班长以上的下级军官组成的，另两个营的官兵也是经过系统训练的部队精英，战斗力极强，持有的武器超猛，不但有6门山炮，步兵炮、迫击炮、轻重机枪还是常规团的好几倍，轻武器大多是花机关和百式冲锋枪，射出的子弹根本就是瀑布弹雨，配置的步枪都是是接收日军的最新型九九式步枪，射程远精度高杀伤力大。另外县城里还有一个团受降的伪军和一个大队的受降日军被情报人员忽略了，晋军团长给受降的日伪军发放了武器，命令他们配合晋军的防御作战战，伪军直接编入晋军序列成为生力军，直接上城墙参战，日军步兵不直接参战，但日军炮兵操纵的山炮和步兵炮却对城外八路军的火力进行了有效压制，所以说，太行纵队面临的不是晋军的一个常规团，而是差不多三个团的兵力，仗打的苦也就可想而知。
当县城外围阵地全部失守后，晋军团长宋瑞峥上校开始向驻守长治的长官告急救援，19军情报人员早已发现了长治城外共军的动向，史泽波军长已然看出共军围城打援的图谋，面对共军的兵力部署，史军长跟参谋人员制定了一个声东击西、重兵接应屯留守军突围的战术。具体方案是从长治城向中间大路和东西两条小路派出少量兵力，与埋伏在长治附近共军保持接触战斗，牵制这边共军主力的注意力，而屯留的晋军教导团派少量部队向东面小路和中间大路做假突围，牵制吸引围城的共军，教导团主力乘机从西面小路突围，快速摆脱包围屯留的共军向长治转移，等接近在长治伏击的共军时，长治的19军两个师一起出动跟教导团南北夹击一举击破共军的伏击圈，把教导团接回长治。
方案确定后，史泽波命人将方案以密电传给了屯留的晋军教导团。
当宋瑞峥接到军部的密电准备实施突围时，城外太行纵队秦司令员被打出了火气，将129师的769团调到了屯留县东城门命令其限时攻开城门打进县城，769团是129师主力团，大部分干部战士是老红军，战斗力极强，果然不负司令员所望，下午2点用重磅炸药炸开了东城门，攻入了县城，守城的晋军在受降日军的配合下，跟进城的八路军进行了惨烈巷战，几次差点儿把攻进城的八路军压出城外，纵队指挥员岂能让付出惨重代价攻下的东城门再次落入敌手，急令其他三个方向的攻城部队将预备队调往东城，从东城门进城扩大战果。
宋瑞峥得知东城门失守后，命令属下三营挟制受降的日伪军主官去东城挡住八路军，而宋瑞峥自己则带着团部和集结完毕的三个营利用两辆半履带式装甲车和4辆轮式装甲车做尖刀开路，12辆架着重机枪的卡车做前锋掩护20辆满载武器弹药医疗药品贵重财物的卡车拉着重炮从西城门突围。
在西城攻城的部队是太行纵队的新六团，团长正是杨毅的大舅哥柳铁柱，新六团在昨天扫除县城外围敌人阵地时已经有不小的伤亡，上午攻城又损失了一些兵力，十分钟前，纵队调走了西城外的预备队，现在西城的部队只有不足两个营的兵力，得知东城门已经被友军攻下，团长柳铁柱和政委单睿都急红了眼，下令全团决死冲锋，必须在一个小时之内攻进西城，不知是决死攻击奏效了，还是晋军守军被抽调到东城去了，这次进攻异乎寻常的顺利，二营很快就利用云梯爬上了城墙，柳铁柱大喜过望，急令三营跟上，自己也率警卫排冲到城墙下准备蹬云梯上城墙，就在这时，只听得“轰隆隆……”一连串震天巨响，整个城墙在十数吨炸药的爆破下摇晃了几下“轰！”的一下倒塌了，柳铁柱被埋在了城墙之下，墙上墙下的八路军非死即伤，紧接着，西城门被城里的强大炮火轰碎，六辆装甲战车喷着火舌冲了出来，将城门外被震晕的八路军成片的打翻在地，大批晋军从倒塌的城墙残垣上窜了出来，手里的轻机枪冲锋枪吐着弹幕，没被压在城墙下的八路军战士纷纷倒在扑面而来的弹雨之下，晋军教导团没做停留浩浩荡荡冲出了八路军的包围圈沿着乡间土路向正南偏西方向奔去，乡间小路的西侧300米处的坟茔地里，15团的侦察员立即把敌人的动向用发报机传给了团部。
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