晚上二十一点二十分，中路四十一集团军从南面攻上城墙，二十三点四十分，西北面的十五集团军也从小西边和小北边两座城门打进了市区。
攻城战斗在进行的时候，位于沈阳东北方向的阻援部队，在中午过后也先后与增援的日军展开了激战，其中五十七师抗击了由四平、铁岭方向来的一个师团和一个旅团的日军，十五集团军骑六师则对阵日军一个师团。
经过一夜和半天的时间，阻援部队已经构筑起了完备的野战防御阵地，纵深十个炮兵群连十公里内的射击诸元都设置好了，两个师属装甲团都部署在了阵地两翼，随时准备对日军展开反击。
而增援的两路日军的火炮刚刚架设起来，就遭到了成群而来的轰炸机和战斗机的攻击，一阵轰炸扫射过后，日军的近百门大炮大部分都变成了废铁。接着，地面炮兵又按照几架观察机报来的数据，对日军炮兵阵地进行了再次打击，密集的炮火完全覆盖了日军的炮兵阵地。
消除了日军火炮的威胁之后，这个阻击战打起来就没有多少悬念了。日军一个下午虽然连续发动了好几次进攻，但是在天上有飞机、身后有大炮、阵地上自动火力密布的中国军队立体防线面前，日军以二十多辆不经打的单薄战车和数千肉体组成的攻击阵型，根本连中国军队的战壕都接近不了，只有寥寥几十名日军冲锋进了一百米内，但很快的都中国士兵射出的密集火力所击毙，那二十多辆战车更是在第一次攻击时就全部被飞机和炮火所摧毁
打到最后，有的中国士兵甚至抱怨道：“小鬼子你们能不能换个花样，总是这么冲上来退下去，老子刚才都快睡着了！”
在这种装备极不对称的对决中，日军的传统武器和传统战术确实拿中国军队一点办法都没有，这是一个用多少士兵的生命都填不平的巨大沟壑。
虽然还有毒气弹，但那是对弱者才能使用的。
日军大本营知道美国和中国四战区手中的神经性毒气弹要比自己的催嚏性毒气弹先进得多，怕遭致本土被化学武器袭击，因此严禁在于美军和中国军队的作战中使用毒气弹。
傍晚时分，当日均疲惫不堪时，五十七师和骑六师却开始发力了。两个师全都是以装甲团在两翼突然出动，以迅雷不及掩耳之势插入日军阵中，凶猛的火力不但把日军逼退了两千多米，而且还把日军突前的数千兵力给包围了进来。
随着步兵的压上，被围的日军只抵抗了不到一个小时就全部被歼。最后清点战果，五十七师击毙日军六千四百四十余名，骑六师击毙日军五千三百八十余名，两处合计起来，相当于歼灭了日军大半个师团的作战兵力。
当然，这其中还有空军很大一部分功劳。
遭受如此严厉打击，日军的两路援军在半夜过后全都撤了回去。
也得亏这些日军撤得快，否则天亮之后他们将遭到四航司远程轰炸机的地毯式轰炸，那时日军就只有哭爹喊娘的分了。
与打援部队的放手作战不同，进入城区的部队却打得小心翼翼，重武器轻易都不敢使用，主要是想把沈阳这座经济和工业中心较完好的保存下来。特别是十五集团军和二一七师、二一八师这些东北军底子的部队，更是舍不得对城市的建筑下手，只能以坦克装甲车的机枪作掩护，以步兵逐楼逐院的与日军展开争夺，因此伤亡也开始急剧增加。
对这种情况五战区是有所预料和准备的，九月十六日上午，进入城区的各部都减缓了攻击力度，并向日军发出了劝降通告。
日军现在在沈阳市区还有六万多的兵力，凭借地势的优势，当然不肯轻易放下武器，因此五战区的劝降一个上午都没有得到回应。
“不给日本人来一点狠的，看来他们就不肯就范。再发通告，日军如果继续抵抗，就让沈阳的所有日本人一起殉葬。”谢昌云发了狠。
沈阳郊区和城区共有二十多万日本侨民，这是中国军队手中掌握的一个砝码。
这下日军不能再无动于衷了。五战区的通告再发出去之后，关东军第四十四集团军司令官本乡义夫终于在下午十四点半派出了代表与五战区进行谈判。
本乡义夫提出的条件是中国军队允许日军携带日本侨民安全撤离沈阳。
五战区谈判代表、战区副司令长官兼参谋长林道庸拒绝了日军的条件，要求日军必须无条件放下武器。
双方讨价还价了两个小时，林道庸最后把条件降到了允许日军放下武器后撤离，只能携带军官的家眷，并不得对工厂和城市进行任何破坏、不得藏匿携带除个人财产外的任何财物，还特别强调了日军必须保证在沈阳的盟军战俘的安全。
日军谈判代表见林道庸再不肯让步，便提出要回去向司令官请示。
林道庸拍着桌子道：“你回去告诉本乡义夫，我们再给他一个晚上的时间，明天上午九点以前要么派个有决定权的人来，要么就不用谈了。九点钟一过，我们就是豁出来把沈阳打烂了，也不留下一个活着的日本人。”
中国军队绝不会坐等日军答复。
下午十七点半，独立三师奉命对当面日军展开了一次强有力的攻击，上百辆坦克装甲车同时出动，两百多门大炮和迫击炮一起发射，半个小时的时间就把长宽五百米见方的一片街区打成了废墟，里面的两千多日伪军一个都没有活下。
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