激烈的战斗持续到了第五天，在这五天里，有六千余名113师的士兵战死杀场，他们用自己的身躯和血肉顶住了日军的疯狂进攻。
日军那边同样不好过，三个步兵大队被彻底打残，还有四个大队的减员达到了三成，伪军也伤亡了近3000人。双方都打疯了，没人在乎伤亡，只有不断的进攻和反击、冲锋与反冲锋。
当天夜里，日军用声东击西的战术，派3个大队狂攻沂源城北城墙，在将守军主力都吸引过来后，派出挺身队携带炸药包向南城墙冲去。随着雷鸣般的爆炸声响起。早就不堪重负的城墙，在惊天动地的响声中，轰然倒塌，当烟尘散去，城墙上赫然出现了一道长达三十余米的缺口。
等候已久的战车部队顺着缺口进入城区，对要与日进行巷战的守军肆意扫射、碾压。113师的战士们杀红了眼，抱着炸药包和集束手榴弹从藏身的建筑物中窜出，一边点燃导火索，一边扑向战车，靠着这种不要命的打发，一连炸毁了数量战车。
跟在战车后面的日军士兵在战车在狭窄的街道中无法发挥，便蜂拥上前，与守军展开巷战。一时间，沂水城内枪声震天，到处都是扭打在一起的双方士兵，惨叫声、咒骂声、爆炸声此起彼伏，响彻夜空。
战至半夜，日军已经占领了大半个沂水城，113师师长见状便让战区直属特务团护送于学忠突围，他自己则带着还活着的近千名士兵，与日军进行最后一搏。
因为南北城墙都被日军攻占，战区直属特务团只能护者着于学忠直奔城西水门，不料半路与一个中队的日军相遇，只剩下不到500人的特务团随拼死攻击，却未能突破敌人阻截。此时于学忠的卫队长带着卫士排冲到了前头，卫士排虽然只有60多人，但个个都是身经百战的老兵，使用的武器是当年少帅花重金从法国购置的M1918半自动步枪，六十余支自动火气同时开火，顿时便把对面的日军打懵了，卫士排趁乱猛攻，终于在日军的防线上撕出了一道缺口，而后特务团一拥而上，顺利突破日军阻截，而后从水门突围。
收到消息后，日军担心再有守军突围，便集中兵力，将守军所在的区域团团围住，并以坦克为先导，发起进攻。
113师师长见突围无望，把伙夫、后勤、参谋人员也都召集起来，给他们每人发一支枪几枚手榴弹，利用建筑物，继续和日军死拼。
守军的拼死一搏让日军的伤亡急速增加。发狂的日军把大炮也搬进了城，配合战车炮对有守军的房屋进行直瞄射击，炮口所向、寸瓦不留。
随着房屋一栋一栋的被轰倒，守军的枪声也不断在减少。当第一道晨光照进沂水城时，城内的枪声也终于消失了。
整个沂水城，除了四面的城墙，所有建筑物已经全部变成了一片瓦砾。
沂水城被攻陷后，三角防线上立刻出现了一道巨大的缺口，蜂拥而入的日军立刻对苏鲁战区的其他部队展开了进攻，已和51军114师汇合的于学忠知道在受下去只会全军覆没，便趁日军的包围圈还未形成前，命令所有部队迅速南撤，与苏北57军汇合。
可现在所有部队都与日军搅在了一起，想撤下来谈何容易，弄不好，就又是一场大溃败。于学忠只能命令部队层层阻击、渐次后撤，并派出一个团在曹庄建立阵地，为其他部队断后，说是断后，其实就是弃子，不过这个团却没一个人有怨言，所有官兵抱着必死的决心，顶着日军战车、重炮、飞机的轮番冲击，与日军血战了三天三夜，最后团长带着全团仅剩的十几名伤员，拉响手榴弹与冲上阵地的日军同归于尽。
此役，除十几名被炮弹震晕的伤员在战后被日军俘虏外，该团自团长以下2736人全部阵亡，无一人逃跑，他们用自己的血肉和生命，为其他部队赢得了宝贵的撤离时间。
为国身死，何其壮哉！
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