围歼战持续进行到5月23日，东北抗日先遣军已在要塞各阵地的反坦克壕内与日军展开阵地争夺战。
鉴于连续3天猛烈攻打，虽使日军遭到沉重打击，但要塞仍未被攻克。
第二兵团司令员丁伟决定重新组成多兵种配合的强大战役集群，务求尽快歼灭海拉尔要塞的全部日军。
参加这一战役集群的第8纵队包括步兵9师、29师、21师、机炮第1、2旅加农炮团、榴弹炮团、迫击炮团、大威力榴弹炮以及2个独立坦克营。
此外，还得到紧急调来的第二兵团预备队1个重炮团的“实质性帮助”。
一场更加猛烈的歼灭战全面展开，战况异常惨烈。
敖包山主峰阵地因设有数层反坦克壕和铁刺网，核心阵地周围部署了三道环形防御阵地，防守严密。
日军利用工事的多层次配置和地上地下联通的优势，死守硬拼，一时难以攻破。后经反复冲杀，直至5月25日才被全线突破，开始了阵地内的争夺战。
经过双方白刃厮杀，日军溃败，残敌钻入地下工事死守。
在日军兵力配备最强、且为指挥部所在的河南台阵地战斗更为激烈。
抗日先遣军利用该阵地西部地形较平坦的特点先从背后起攻击，而后又从西南部、南部和东部实行多路夹击。
但由于日军得到第三阵地的炮火配合，抗日先遣军的坦克进攻也一度受阻。在二、三阵地有约1o辆坦克被击毁、击伤。
终因抗日先遣军坦克部队强大，炮火猛烈，经反复争夺，彻底摧毁了日军地面火力点，迫使日军转入地下工事，成为“瓮中之鳖”。
抗日先遣军第二兵团一面肃清地面残敌，一面用大量炸药、爆破筒、集束手榴弹、汽油等各种爆破燃烧手段破坏日军地下工事的出入口，想迫使其投降。
并利用日军俘虏喊话劝降，但龟缩洞内的日军死不就范。
在东樱台阵地，由于抗日先遣军未向其动正面攻击，又因该阵地位处伊敏河东，距一、二、三阵地较远，防守的一个日军大队又无远程火器参与对其他阵地的火力支援，只能坐观其他阵地的争夺战。
到25日深夜，大队指挥官按照日军“作战要领”规定，决定放弃阵地向南撤逃。
撤逃途中一路大部被歼，也有极少数突围漏网。
一路被抗日先遣军追击，最后在海拉尔东南约25公里的尖山沟一带被全歼，日军遗尸遍野，战后此地被附近居民称为“死日本子沟”。
在伊东台阵地，日军有一个加强大队。当第二兵团步兵第671团对其攻击时，遭到猛烈抵抗，经过激烈拼杀，抗日先遣军攻克碉堡和两道堑壕，歼敌5o余人，许多日军四散溃逃。
在这场总攻歼灭战中，一方猛攻，一方死守，双方打得都很顽强。
日军此时的惟一优势是依托坚固设防的永久性工事，获取“一夫当关，万夫莫开”之利。
但抗日先遣军却在兵力武器装备上占有压倒性的绝对优势。
抗日先遣军第二兵团攻打海拉尔要塞的战斗，尽管未出战前的预定作战方案，但打得相当吃力，从5月21日夜间最初交火起，到5月26日清晨日军挂出白旗止，前后持续5天6夜煵凰阋院罅饺天的小型战斗牎
在海拉尔要塞攻坚战中，抗日先遣军竟出现7个舍身炸敌堡的英雄人物，足见攻克日军工事的艰难程度。
抗日先遣军为此胜利付出了大量生命和鲜血的沉重代价，计牺牲官兵11oo余人。其中军官145人，内有团长1名，营长13名，连长25名，排长1o6名。
阵亡烈士名单均刻在海拉尔区小孤山的东北抗日先遣军烈士公墓上。
抗日先遣军第二兵团此次在海拉尔作战中的伤员当不下4ooo人之多，故其伤亡总数约为5ooo人左右。
最终，海拉尔要塞被抗日先遣军全线攻克，日军彻底溃败。
此次丁伟凭借抗日先遣军的强大火力和战士们顽强的意志，打出了第二兵团的威名，海拉尔一带的国防暂时安全下来。