当晚二十二时十五分，第二十四团第一营首先夺取了村南数处院落，第二十三团第二营亦从东面突破，但均为敌猛烈火力所阻，进展迟缓。虽然多次组织攻击，但因未能将敌纵深阻隔，敌可任意机动兵力和火力。为加速歼敌，十七日拂晓，遂以第二十三团第一营插入敌侧后，割断樊家台与南桥头两敌之间的联系，依托刘家沟向樊家台西北攻击，以求四面攻击之效，然后再各个击破，逐个歼灭。第一营奉命后，即乘天亮之前进到刘家沟，首先击溃敌一个连，毙敌三十多人，余敌逃回樊家台。该营立即展开，向樊家台攻击。这时，敌察觉侧背受到威胁，南桥头之敌即攻击我第一营侧后。樊家台之敌以约两个连的兵力向我反击。我第一营乃被迫撤守刘家沟。敌急于解除其纵深威胁，遂将刘家沟包围。
我返冀中扩军之后，三纵指战员在杨成武司令员机动灵活指挥下，加强对敌情的侦察研究，改进了战术，使攻坚能力逐步增强，在城北，经十天的反复争夺，于八月二十八日，攻占了水塔，进而占领车站以北和水塔以东地区。在城南，八月十七日击退大同敌人一千多人在五辆坦克掩护下对我南大庙、水泉湾一线的反扑，二十三日、二十五日、二十八日，又接连三次击退大同敌人在坦克配合下一千至三千人的反扑，并于三十一日乘胜攻占了敌南大庙这一强固据点。在城东面，我二十一团经过三次攻击，终于在八月二十七日攻占了敌大同城东的门户——沙岭子，全歼守敌。至九月一日，我纵队与兄弟部队协力作战，已完全占领了大同外围敌人全部坚固据点，部队进逼大同城下，开始了攻城的坑道作业，准备爆破攻城。
八月二日晨，大同守敌为恢复大同、怀仁问的交通，派出干余兵力在八辆坦克掩护下，向我第二十三团第一营占领的白家窑子阵地发起进攻。当敌人接近我前沿时，我以突然猛烈的火力与敌展开激战，并组织反坦克小组，在火力掩护下，以集束手榴弹与敌坦克展开殊死拼搏，连续打退敌十余次疯狂进攻，并击毁敌坦克二辆。至十三时，该团以主力向太子庄、肥村方向敌右侧后实施突击，恰与大同又增来的敌人约两个营的兵力遭遇，随即与其展开激战。十六时，八旅再以第二十四团主力从辛寨、落里湾敌左侧进行迂回，以歼敌于白家窑子以北地区。但因我动作不够迅速，协同又不够密切，未待形成包围，敌见势不妙即仓惶逃走。我仅毙俘敌六百多人，缴坦克一辆。当夜，怀仁守敌第三团分路向北逃窜，于三里庄、北七里寨、甄家庄一线为我第二十二团截击，全部击溃。第八旅遂令第二十四、第二十三团及旅警卫连和第一、第五军分区部队乘胜追歼、截击。第二十三团在霸王店、秦城、北信庄，第二十四团在苏庄、小营村等地各截敌一部共俘敌九百多人，毙伤敌四百多人，残敌向广崖、东盘道坑方向窜去，又遭我第一军分区部队堵击，只剩少数窜入口泉，我即解放怀仁城。
八时，敌首先以一个团的兵力在猛烈的炮火支援下，向我发起攻击。我一营依托村沿进行防守，连续击退敌人数次冲击。接着，敌人又以两个团的兵力，在坦克的引导下，向我第一营再次发动了攻击。我一营的勇士们利用被敌炮火摧毁的残墙断壁，顽强地抗击敌人。敌人数次冲击，均被击退。约十二时，敌人又一次发动了攻击。村北的阵地被敌突破，第一营的勇士们继续利用房屋坚守，使敌每前进一步，都要付出很大的代价。经反复争夺，敌才占领数处院房。该营全体指战员以大无畏的革命精神，英勇抗击着超过我五倍以上敌人的反复进攻，有的连队干部大部伤亡，卫生员、司号员和战士自动挺身而出，代替指挥。在敌我只有一墙之隔的情况下，勇士们仍不断以战斗小组实施反击，给敌人以很大的杀伤。第一营一直坚持到二十时，在旅主力的接应下，当晚才全部撤出战斗。第一营在这次战斗中，发扬了英勇顽强的优良战斗作风，在敌我力量极为悬殊的情况下，鏖战竟日，打退敌人数十次进攻，坚守了阵地，并毙伤敌七百多人，击毁、击伤敌坦克二辆，沉重地打击了素称精锐的蒋介石嫡系第九十四军第五师的嚣张气焰。在这次战斗中，一营营长朱彪四处负伤，教导员曹良的眼睛被打瞎仍不下火线，坚持指挥战斗，开展政治鼓动工作；全营四百多名勇士，人人奋勇杀敌，个个刺刀见红，杀出了军威，大壮了士气。战斗刚结束，我马上布置政治机关尽快整理一营的功绩材料上报。
五天的外围作战，共歼敌两千余人。但由于我兵力使用不够集中，各部队开始攻击的时间又先后不一，形成了分兵扫点，致使没有将口泉敌第二团、怀仁敌第三团全部歼灭于外围，使之龟缩兵力，退集城内及近郊。同时，对城东南敌之飞机场，又未能迅速占领或控制，使敌得以由包头空运来完全美式装备的交警第十六总队第三大队，加强了防守，使我攻坚更添困难。
我第三纵队撤离大同后，即根据晋察冀军区的指示，活动于平汉路北段的河北涿县、保定、徐水、唐县一带，破坏敌铁路交通，袭击敌人，配合兄弟部队在张家口方向的作战。但是，正当我军在怀来方面与平汉线北段取得节节胜利的时候，蒋介石令傅作义部从西面进攻我张家口。傅作义即乘我张家口西北方向空虚之际，调集其主力部队，偷袭了我张北县城，突破我张家口以北的狼窝沟防线。我主力赶调不及，于十月十一日驻在张家口的军区、边区机关及少数警卫部队主动撤出张家口。敌人侵占我作为晋察冀边区首府的张家口后，趾高气昂，蒋介石更是得意忘形，公然违背政协决议的规定，下令召开伪国民代表大会，粉墨登场，当起了伪总统。
大同战役历时一个半月，我纵队歼敌五千多人。大同虽未攻克，但对我纵队是一次城市攻坚战和大兵团协同作战的锻炼。全体指战员在攻坚困难、伤亡较大的情况下，表现了高度的政治觉悟，发扬了英勇顽强、连续作战的精神，涌现了许多英模事迹。大同战役的主要教训在于：我们指挥员对毛主席关于集中优势兵力、各个歼灭敌人的军事思想领会不深，不善于集中使用兵力，而是逐次增兵；不善于采取迂回包围战术，而是正面攻击，战术呆板。同时，我们对敌情、地形的侦察、研究不够，战前准备不充分，战斗组织不严密，这些教训都是深刻的。
敌初犯易县失败后，又调平汉线北端的第五十三军及第九十四军第五师，分两路西犯易县。南路为第九十四军，以第五师全部和第一二一师一个团，沿易县、涞水公路及以南，向门墩山、易县进攻；北路为第五十三军，以第一一六师、第一三零师两个团，由中、下车亭经水阳、居士、西留山向易县进攻。十一月十五日，敌两个军同时出动，第九十四军进到二十里铺、南北桥头地区。第五十三军第一三零师进占东、西垒子一线。第一一六师进到娄村镇。这时，我野战军主力第一、第二、第四纵队已由察南地区转移到易县附近地区。军区决心集中兵力歼灭进攻敌人的一路——第九十四军的四个团于门墩山、二十里铺地区。以我第三纵队依托石赛、东茹堡地区，由西南向东北进攻。第四纵队依托石柱、长安城地区，由东南向西北进攻；第二纵队与独立第一旅依托四风坡和南、北留召，由西北向东南进攻，并以一部牵制第五十三军。
我们纵队领导的关怀，使朱彪深受感动。在医护人员精心治疗下，朱彪的腿保全了。一个多月后，朱彪的伤口还未全愈，就积极要求返回部队。在朱彪带动下，三纵队三百多名伤病员也按时或提早返回部队，投入反击国民党反动派新的战斗。
张家口的失守，使一部分指战员产生埋怨、悲观情绪，加之部队连续作战，减员较多，得不到及时补充，部队思想较为混乱。为解决这些问题，晋察冀中央局在聂荣臻同志主持下，于十月下旬在沫源召开了扩大会议，学习毛主席《以自卫战争粉碎蒋介石的进攻》、《集中优势兵力，各个歼灭敌人》和《三个月的总结》等指示，着重统一了战争胜负不在于一城一地的得失，而在于双方力量的消长的认识，进一步明确了打歼灭战、打运动战的思想。涞源会议之后不久，我和潘自力主任带着几千名冀中新兵回来了。这批冀中的子弟兵政治质量好，斗志很高，他们的来到，给部队常来一股新的活力。我们抓住这一时机，深入贯彻沫源会议精神，解决张家口失守后的埋怨、悲观情绪，树立不争一城一地之得失，积极消灭敌人有生力量的思想，部队士气又趋高涨，几次出击都获得胜利。
八月七日，前线指挥部为加速攻取大同城，又重新作了部署：以我第七旅主力和第三五八旅第七一五团攻北关；第八旅和第一军分区部队攻南关及近郊各点；第五军分区部队攻城西各点；第七旅第二十一团接替教导旅任务，肃清御河以东的敌人。预定在攻占四关后，即从北、南两面强行攻城。第十旅除留一个团配合地方武装继续围困应县外，主力进到大同方面，作为攻城的预备队。部队针对敌人的情况，着重进行了外部爆破的技术和战术训练。
敌人在占领张家口，恢复平汉铁路北段后，以第十二战区所属部队据守张家口地区，以第十六军继续向我察南地区发展进攻，以第九十四军集结于沫水、定兴地区，准备攻占我易县，西出紫荆关，与侵入察南的敌人相呼应，会攻涞源，进而侵占阜平，击破我主力，达到分割我晋察冀腹地的目的；另以第五十三军和非正规部队据守平汉线，巩固所占城镇，并维护交通。
在我攻击大同之时，蒋介石曾数次责令傅作义出兵增援，以解大同之危。
在军区统一部署下，我纵队决心：第八旅先歼樊家台敌人，尔后向南桥头方向发展进攻。第七旅向台头攻击，协同第八旅向纵深发展。十六日晚，第八旅以第二十三团分两路，从樊家台东面及东北攻击。第二十四团从南面攻击，第二十二团为预备队。
三日晚，第八旅分路向大同城郊推进。四日，大同敌人百多人乘两列火车接应口泉、平旺、王家园发电厂守敌向大同撤退，在十里河遭我侧击，两列火车为我截获。但因我主力没有及时赶到，敌人得以撤回大同。我第八旅遂占领平旺、王家园发电厂，第一军分区部队占领了口泉。五日，大同守敌一千多人向平旺、王家园反扑，进至十里河铁桥附近，遭我第二十四团顽强阻击，将敌击退。同日，教导旅在御河以东攻占了海立村，接着攻曹府楼、沙岭子，但经几次攻击，均未奏效。
我纵队各旅在进行一周的政治动员和训练等各项准备之后，与兄弟部队一起，对近郊各点同时发起攻击。在城北，我七旅第十九团以迅速勇猛动作，经与敌激战，占领了卧虎湾。第二十团攻击白马城，以一部兵力迂回敌人侧后，主力正面攻击，一举突入，守敌据守高房顽抗。在我猛烈攻击下，结合政治攻势，争取敌东北挺进军独立骑兵第十五团团长率二百余人起义。当夜我占领白马城。同时第三五八旅第七一五团占领了梅津营房、板本营房、陈家庄和天主堂。当我继续向纵深发展时，察明敌人从白马城、卧虎湾一直到北关，是由坚固建筑物、堡垒群和广泛布雷区构成的大纵深严密设防地域。
八月二日，由晋察冀军区司令员兼政治委员聂荣臻同志主持，在阳高召开了作战会议，组成了大同前线指挥部，并决定我们晋察冀军区第三纵队（仅第七、第八旅两个旅，第九旅缺编）、教导旅、炮兵团、冀晋军区第一分区独立第十二、十三团和晋绥军区第三五八旅、晋绥军区第五军分区第二团，担任攻击大同的任务；第四纵队第十旅攻击应县城；晋绥军区独立第一、第三旅、骑兵旅、绥蒙军区第七、第九团及晋察冀军区第二纵队第四旅、第四纵队第十一旅，准备在卓资山地区担任打援任务。雁北地区组织支前委员会，动员地方党政军民积极参加支援前线的工作。
当时，第一营距离纵队指挥部有四十公里，我也不顾连日战斗的疲劳，亲自策马赶到一营驻地召开庆功授奖大会，把“钢铁第一营”的锦旗授予营长朱彪（教导员曹良已送后方医院）。接着，逐个慰问尚未转送后方的伤员，表彰他们为人民英勇战斗的精神。当我发现朱彪腿部的伤势比较严重，立即派人组织担架把朱彪转送到旅卫生部动手术。临走时，我还再三交代护送的医务人员说：“请转告旅卫生部负责同志，朱彪作战勇敢，是个战斗英雄，一定要想方设法把他的大腿保住，非万不得已不能截肢。”
我和潘自力主任返回冀中之后，立即将扩军任务分配到各分区，并分别到各分区了解发动群众参军的情况。冀中地区是老解放区，群众的政治觉悟基础比较好，加之当时正在以往减租减息斗争的基础上，开展轰轰烈烈的土地改革运动，斗争地主，分配土地，闹得热火朝天。群众斗倒了地主恶霸，彻底推翻了千年的封建统治，土地回了家，农民得到了翻身解放，怎不欢欣鼓舞，怎不从心底里感谢救星共产党，感谢恩人毛主席呢！这时，当广大群众听到蒋介石撕毁“和平协定”，疯狂进攻我解放区，先后侵占了我晋察冀边区的集宁、承德、冀东地区和张家口的消息，真是个个义愤填膺，为了保卫抗战胜利果实，为了“保家、保田、保饭碗”，保卫土改胜利果实，到处都掀起了参军热潮。涌现出许许多多父母送子、妻子送郎和兄弟争先参军的动人故事。参军的子弟兵骑着大马，胸佩大红花，由乡亲敲锣打鼓送到区上、县上，最后都集中到分区，进行新兵训练。在训练中，我们再次深入进行参军保卫胜利果实的政治动员，并组织一些射击、投弹、刺杀的初步入伍训练，以便补入部队后，就能够在老战士带领下参加战斗，在战斗中去继续锻炼。
为击破敌这一狂妄计划，晋察冀军区令我纵队全部并指挥独立第四旅，坚决打击进犯易县之敌第九十四军。以独立第七、第八旅在平汉线积极活动，牵制敌人；并令第一、第二、第四纵队于察南寻机歼敌第十六军。
这次刘家沟战斗，经过两天激战，我三纵虽然攻占了樊家台，第四纵队攻占了张家沟等地。但由于没有将敌割断、包围，并且协同也不够好，此攻彼停，使敌得以任意机动兵力，抵抗我之进攻，故未能各个歼灭敌人。敌第五十三军向第九十四军靠拢时，北面未能以积极行动牵制敌人，致使敌第五十三军于十八日进到了行宫、从溪地区，与敌第九十四军连接起来。这样就增加了我各个歼敌的困难。据此，上级为谋求新的战机，十八日晚令我纵及兄弟部队撤出战斗，进至满城以北白堡地区补充、休整，并进行战斗训练。十九日，敌人见无隙可乘，亦东撤涞水、定兴一线。
七月初，正当国民党军向中原、晋南等解放区大举进攻的时候，晋察冀军区第四纵队第十一旅和冀晋军区第一、第二军分区部队，协同晋绥军区第一纵队，发起了晋北战役，经过二十多天作战，我军解放了山阴、岱岳、宁武、繁峙、代县、崞县、原平、五台、忻口、定襄等城镇和广大农村，歼敌六千余人，控制了同蒲路北段二百五十多公里，有力配合了晋南我军作战。晋北战役之后，大同已成为我晋绥、晋察冀两解放区之间的一个孤点。这时，敌人进攻张家口的部署尚未完成。为减轻张家口西顾之忧，改善张家口两面受敌的形势，以便在敌人大举进攻张家口之时，粉碎其进攻，并集中更多的兵力到平汉线作战。因此，上级决定首先夺取大同孤点，使晋绥、晋察冀两区联成一片。
根据大同敌情，前线指挥部令我第三纵队第七旅扫除大同北面各点，尔后协同第三五八旅从北面攻城；第八旅协同晋冀第一军分区、晋绥第五军分区部队扫清城南及西南的怀仁、口泉、平旺诸点，尔后从南面攻城；教导旅肃清御河以东沙岭子、曹府楼等点；晋绥第五分区并肃清马军营、五里店诸点，尔后从西面攻城；限于八月十三日前扫清外围，完成攻城准备工作。我纵队奉命后即由沙城、怀来地区乘车西进，于七月二十三日进抵大同外围。七月三十一日，扫清外围战斗开始。我纵队第八旅第二十二、第二十四团在第一、第五军分区部队协同下，分别占领秀女村、里八庄，切断了大同至怀仁的交通。八月一日晚，第二十二团攻击上、下水泉，因准备不足，经一夜激战，仅将敌四周碉堡占领，余敌龟缩在核心高堡内，没有攻克。同日，第二十三团以迅速突然的动作，一举占领马家皂，守敌二百余人全部放下武器；此时，敌一个营从大同来增援，亦被击退。
一九四六年六月二十六日，蒋介石在利用“和平”烟幕完成了大规模的内战准备之后，便不顾全国人民的反对和我们党的忠告，冒天下之大不匙，公开撕毁了“政协决议”和“停战协定”，以其正规军总兵力的百分之八十，即一百九十二个旅（师），约一百六十万人，向我解放区发动了全面进攻，挑起了空前规模的反革命内战。此时，我三纵队和各兄弟部队一起，结束了休整，立即投入了粉碎敌人进攻，保卫晋察冀解放区的战斗。
因敌工事较强，兵力充足，又凭坚死守，我军久攻不克，伤亡较大，加之天气炎热，病号增多，部队减员较大，所以，前线指挥部一面改变进攻战术，采取稳扎稳打的办法，并大力改造地形，攻克一点，巩固一点。一面决定由晋察冀军区政治部潘自力主任和我返回冀中扩军，以补充部队。
十五、十六两日，我猛烈攻击，敌也连续反扑，与我逐点、逐碉、逐房、逐院的争夺，两天只攻下几个碉堡，虽一度占领了面粉公司，但又被敌反扑夺去。十五日，我还击退大同敌一千多人在七辆坦克和炮兵配合下向白马城的反扑。在城南，我第八旅第二十四团第三营攻击七里村，为敌前沿铁丝网所阻，连续数次冲击不成。后来，排长辛运生摸到铁丝网下，将铁丝网破开，二十一时，再次发起冲击，才突入材内。经过激烈巷战，敌少数突围向北逃窜，其余全部就歼。该团一个营同时占水泉湾，将敌飞机场跑道破坏，并烧毁敌机一架。第二十二团一个营攻南大庙，经一夜激战，因侦察不细，进攻中为敌低层火力杀伤，又被宽五米的外壕所阻，两次攻击没有成功。在城东，我七旅第二十一团攻击沙岭子，亦未奏效。从进攻中发现，敌在城东、南，根据临近城关各点不同的地形，构筑了坚固的集团工事，并以两个连至四个连凭坚据守，作为屏障城垣的主要支撑点，阻止我军向其纵深发展。
大同是晋北的军事要地，是平绥、同蒲两铁路的连接点。大同城虽然不大，但城墙很高，而且城东北及西北，山岳环抱，仅城南面地形较平坦，而城东面还有御河作为屏障，确是易守难攻。日本投降后，阎锡山以其第八集团军副总司令楚溪春率骑兵第四师进占大同，与日、伪军合流，盘踞大同及其近郊。当时的守敌是：以第三十三军之暂编第三十八师和以八百多名日本军队为骨干编成的保安教导总队为主力，以及国民党第十二战区东北挺进军马占山部、保安第二团和各县保安警备队、“还乡复仇团”等反动武装共一万九千余人。他们凭借坚城顽抗，攻坚十分困难。
十一月二日，敌第九十四军第一二一师由涞水西犯。我纵队决定以一部兵力在正面采取运动防御，诱敌深入，主力集结在南、北桥头两侧地区歼敌。敌开始行动时甚为谨慎，二日进至十里铺后，即停止前进。三日，敌第一二一师第三六一团继续西犯，在我节节抗击下，先后占领二十里铺、南桥头。下午向门墩山进攻，遭到我第十九团坚决阻击，敌多次攻击不下，黄昏前退缩南、北桥头及其附近地区据守，准备于次日再行攻击。当晚，我纵即按原定作战方案，乘敌立足未稳的时机，于四日零时以第七、第八两旅主力在独四旅配合下，向南、北桥头发起攻击，全歼敌第三六一团及由涞水来援之敌第三六三团一个营。南桥头战斗一举全歼敌美械装备一个完整团及一个营，毙敌三百六十多人，俘敌两千多人，给予敌第九十四军一个有力的痛击，也给我纵全体指战员很大鼓舞。
但傅作义为保存实力，迟迟不动，蒋介石为引诱、逼迫其增援，遂将大同划归第十二战区管辖。九月二日，傅作义才出兵增援，其先头的三个师在集宁城西卧龙山为我兄弟部队包围，并被歼过半。傅作义再以主力第一零一师等来援，兄弟部队只得调转主力先去打敌一零一师，因转移兵力费时，打援未成，又错过了歼灭集宁城下余敌的良机。十三日，两敌会合在集宁城郊，进而占领我集宁城。这样，在集宁未能歼灭援敌的情况下，大同也不宜再攻。为了寻求新的战机，前线指挥部于九月十六日断然下令撤围大同，结束了大同战役。我纵队转至沙城以南矾山堡地区。
