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這時，劉鄧主力已陸續到達，以兩倍於孫部的兵力將湯陰城團團圍住，並成立了湯陰作戰司令部，在攻城前，劉伯承司令員用無引信炮彈向城內發射勸孫殿英起義的信。此時，孫殿英整天與部下在麻將場上玩樂，對劉伯承的勸降信他召集師團長做了研究，認為：國民黨有強大海陸空軍，又有美國人作後台；共軍人少勢弱，武器裝備較國軍更懸殊，將來爭戰非蔣介石對手，眼下局勢對自己也有利，隻要打勝這一仗，就可以在蔣介在麵前有討價還價資本。孫殿英在權衡利弊之後，決定堅持隨蔣反共，拒不投降，更不起義。在這種情況下，劉鄧圍城部隊一麵向外圍據點攻擊，一麵挖地道準備爆破城牆。孫殿英在抗戰初期曾和八路軍聯過防，很了解解放軍的戰略戰術，他事先已估計到解放軍會挖地道攻城，便把護城河挖得又寬又深，並沿城牆四周，以水缸或瓦甕倒扣，底部挖一小孔，用來聽地下發出的挖土聲。幾天後他聽到東北方向有地道挖來，當夜，孫殿英親臨陣前，命工兵爆破地道，隨後幾處地道也相繼被炸塌。以後，劉鄧部隊改用雲梯攻城，強渡護城河，搭梯登城強攻。孫殿英命士兵把手榴彈用石灰粉包著紛紛投下，一爆炸煙灰四濺，嗆得攻城者亂打噴嚏、咳嗽，睜不開眼，所以幾次攻城沒奏效。於是劉鄧部隊又開展土工作業，用幾個黑夜動員全軍挖了深兩米多，總長10000多米的無數條彎曲單人戰壕，直抵城下，沿戰壕築炮陣地50餘個，小型地堡100餘座，每個小地堡都鋪上門板覆蓋厚土，白天開展神槍射擊，隻要城上向下窺視，即遭射擊，彈無虛發，孫部被打死打傷士兵無數，並擊中一個營長，弄得守城士兵白天不敢向下觀察。孫殿英大傷腦筋，召集參謀人員商討對策，想了很多辦法，最後決定命令一團團長朱述榮率一個連從小北門地道出去，在護城塹壕內散開，隻許用刺刀，非萬不得已不許開槍，並在城牆上布置了掩護部隊，結果數分鍾內解決了20多個地堡，當解放軍後邊部隊發覺後，他們已跳回塹壕。這一戰告捷，孫殿英又得意忘形，連忙向蔣軍新鄉指揮部報功請賞。
像這樣，劉鄧圍城部隊與孫殿英部在湯陰城激戰近半月，孫的兵力日減，糧彈愈少，到4月15日，劉鄧部隊攻下城外張莊等重要據點，並打傷督戰的孫部副軍長楊明卿，這時孫殿英才嚐到解放軍的厲害，急忙電請新鄉的王仲廉救援。在顧祝同的敦促下，王仲廉出動6個旅兵力沿平漢路東側北援，因遭到劉鄧部隊的截擊，隻好龜縮到淇縣做些佯動。無奈之下，王仲廉隻好拿出精銳蔣軍第二機械化快速縱隊馳援。王仲廉之舉，正迎合劉鄧在豫北戰場吃掉這支“王牌”的作戰意圖，立即做出了圍城打援的部署。當快速縱隊帶著淇縣的蔣軍部隊闖入包圍時，劉鄧的三縱急速插入敵後，截斷其退路，合攏包圍圈，最後將快速縱隊壓縮白寺坡地帶，然後發起全線總攻。到18日拂曉結束戰鬥，蔣軍第二快速縱隊被全殲，計斃傷蔣軍4500餘人，俘虜其縱隊司令李守正以下官兵9200餘人，繳獲各種火炮158門、輕重機槍500餘挺、步槍4000餘支、坦克3輛、裝甲車5輛。
4月20日，劉鄧部隊在殲滅蔣援軍後，三縱、六縱打援部隊便奉命北上湯陰，先後攻下西關、東關等外圍據點，同時集中多門大炮以備攻城。這時，孫殿英如同熱鍋上的螞蟻一般惶惶不安，但仍有僥幸心理，他想如死守城池，坐等時機還有出路，為了向蔣介石表忠心，4月30日給顧祝同去電：“湯陰城牆牢固，共軍保險攻不破。”當天顧回電說：“孫司令窩戰多日，迭挫凶鋒，詳情已曆呈委座，主席聞之，極為欣慰。”5月1日，劉鄧部隊用10多門大炮對準湯陰東北角城牆轟擊，很快掀開一個20多米寬的缺口，炮火一停，解放軍步兵即發動強攻。孫殿英意識到勝敗在此一舉，便同幾個高級指揮官一起在一個大掩蔽部內，全副武裝指揮其部下頑抗，孫本人幾次要去前沿督戰。一場惡戰開始了，孫部以城牆為依托，用重機槍掃射，劉鄧部隊一陣排炮，倒塌的城牆將掩體蓋沒，孫部工兵將事先準備數百條土袋扛上去，作為臨時掩體。像這樣三四次衝擊之後，孫部傷亡慘重，城牆缺口越來越大，眼看城頭不保，孫殿英隻得用他的預備隊5個連。督戰司令劉月亭揮動著手槍，光身上陣，在陣地上歇斯底裏大叫：“總司令命令，堅守者有賞，退下來的槍斃！”上去一個連，在解放軍排炮轟擊下，退下來的寥寥無幾；再上去一個連也是死傷累累，雙方拚殺得難分難解，陣地數次易手，經過這樣數番激烈爭奪，孫部五個預備連幾乎傷亡殆盡，一團團長朱述榮負傷，副團長夏以軍斃命，二團團長張享安也斃命。劉鄧後續部隊乘勢席卷兩側，穩穩控製住城牆缺口陣地。此時，天公不作美，雨越下越大，陣地上依然是槍炮聲、喊殺聲、哭叫聲，刺耳撼心，城牆內外躺滿了孫部官兵屍體。孫殿英看到這一切，自知大勢已去，便又拿出他的一貫絕招——仰天痛哭、痛叫：“天意滅我！天意滅我！”又佯裝舉槍自殺，隨從隨手奪去手槍，在一夥高級指揮官簇擁下，一窩蜂向東南門地道竄去。在5月2日淩晨1時許，孫殿英一夥鑽進一個出口朝南的大地堡內，槍炮聲也頓時稀疏下來，敗兵們都湧向城東南的街上。孫殿英在地堡裏頹喪地背靠土牆，席泥地而坐，有氣無力地說：“都說說，我們該怎麼辦？”人們先是麵麵相覷，而後議論紛紛，有的說退安陽，有的說退新鄉，有的說向新鄉發報派飛機掩護，意見不能統一。最後，孫殿英同意退安陽，決定：以金營長為先鋒，朱述榮團長為後衛，劉營長留湯陰牽製共軍繼續抵抗。參謀長鄧甫宣命令傳令兵分頭去找，隻找來了劉營長、朱團長，金營長和無線電台都找不到了。這時，解放軍又圍攻上來，孫殿英看到已是山窮水盡，便眉頭一皺，抖立起來，甩去軍帽吼道：“好個蔣光頭！再不給他當炮灰了！”並命令洞口一個侍從：“上寨牆喊話，就說我們投降！請人家來談判。”在這個侍從的叫喊下，來了一名談判的解放軍，於是孫殿英和他的將領們拍了拍身上的泥土，一起走向寨門口，孫殿英走到解放軍麵前，試探而又乞求地說：“我就是孫殿英。你來談判，我們歡迎。我們無條件投降！我們的官兵就全歸你們了，該殺的就殺，該剮的就剮，你們隨便吧！”那位解放軍說：“解放軍優待俘虜，不殺、不打，絕對尊重人格，隻要放下武器，就是好弟兄。你們現先下令，讓你們的部下停止抵抗，放下武器。”鄧甫宣傳下命令：“停止射擊，繳械投降。”隨後寨裏全部官兵隨解放軍代表走出寨口，天亮後解放軍進占了湯陰城。至此經過28個晝夜激戰，全殲孫殿英第三縱隊斃傷俘敵9100餘人，繳山炮5門、迫擊炮10門、輕重機槍350餘挺、步槍3500餘支、短槍50餘支、汽車8輛、戰馬250匹、電台3部及其他眾多軍用物資。攻下湯陰後，進攻安陽未克，於5月25日結束豫北攻勢。整個豫北戰役曆時兩月，殲蔣軍45000餘人，解放與收複豫北和冀南廣大地區，控製平漢鐵路150餘公裏，把安陽、新鄉變成孤城，打破了蔣介石東西兩個戰場樞紐地帶防禦體係，有力配合陝北、華東兩個戰場作戰，並為劉鄧主力戰略進攻創造了條件。