川岸得知计划落空，也不得不返回集宁，等待１２、１３师团。本来是想拿个头功的，结果搞得损兵折将，碰了一鼻子灰，这下在军中真是颜面扫地了。此次出击，前后共伤亡近１个旅团，却一点好处也没捞到。

５月１７日，由于出了点意外，１２、１３师团比原计划晚了一天到达集宁，但是川岸在等来援军的同时，也接到了处分决定，免去其师团长职务，不过让他暂时代理２０师团师团长，戴罪立功。山田乙三、荻洲立兵两个师团长经过讨论认为要对支那军队进行再认识，于是在集宁认真准备了２天，１９日兵分两路，分别由丰镇、天镇进攻大同。而２０师团先在集宁休息几天。川岸气得咬牙切齿，但也无可奈何，谁让自己吃败仗呢？

８３２师经过一连串战斗之后（天镇敌人已被完全歼灭），也损失了超过１个团，在重新部署之后，丰镇、天镇各驻守１个旅。任务是要坚守到２０日１２点，师部将没有援兵，一切都靠自己，撤退等命令。同时把投降的６个日本人简单包扎处理没有暂时的生命危险后，送到武汉，由戴笠和李克农亲自审问，以找出他们投降的原因。毕竟，这是第一次俘虏日本人，而投降的越多，我军的伤亡也越少，同时也准备制定一套战俘管理办法，规范以后出现的情况。

１９日，８：００，丰镇、天镇同时遭到日寇超过４倍优势兵力的进攻，日寇在飞机和大炮的掩护下蜂拥而至，外围工事经过半天的狂轰滥炸几乎被夷为平地，我军在外围工事的的１个团虽然英勇奋战，但无奈在人数、火力、后勤全面劣势的情况下，减员接近６０％，而且由于炮火的阻断，增援上不来，撤也撤不下，只有继续坚守，战斗异常艰苦。日军虽然有一定伤亡，但是冲锋的气势一浪高过一浪，不久就占领了大部分主要阵地，正向我军剩余的部队进行清剿，暂时停止了炮击。虽然有人建议组织敢死队。夺回阵地，但是旅长认为在敌人强大的火力支援下，这是无谓的牺牲。甚至为在敌人日如此强的的火力面前，派一个团镇守外围工事是不是一个战术错误？

在下午１６：００左右，当地守军分别下达了彻底放弃外围工事，与敌人进行近距离巷战，一线剩余部队趁夜色尽快撤离到城内的命令。但是能回来的战士实在太少了，丰镇回来了近一个连，天镇稍好一点近５个排。其他战死的战死，重伤的就拿着手榴弹与日寇同归于尽。旅长看着这些九死一生的战士想到永远躺在阵地上的烈士，痛苦万分。无论如何让他们先会师部休整。

当天夜里，日寇发动了偷袭，所幸都被我军粉碎，但是我军的睡眠受到极大的影响。第二天天刚亮，日军开始冲入城中，与我军展开巷战。由于交战的部队互相交错，日军的飞机、大炮只能进行后方延伸射击，我军由于不必面对日军随时可能的冲锋，所以安心地躲在工事里，伤亡大大减少。而日军部队由于得不到重火力的掩护，每前进一步，都发付出很大的代价。即使到１２：００，也只占领了全镇的三分之一。我军得到了撤退的命令，为了保存实力，也没有与敌人过多纠缠，互相掩护，有序撤退。由于有２０师团几天前的教训，日军也不敢追得太快，怕中了埋伏。夜里丰镇、天镇守军陆续到达大同，陈赓认为既然达到了战略目的，就不要敌人敌绝对优势下恋战，连夜带领部队向南撤退（劳工已经提早撤离），只留了杨成武带大同两个团在里八庄一带埋伏，迟滞敌人的追击。

２１日，当日寇谨慎小心地进入大同并会师之后，一致认为我军将向南窜入吕梁山脉，为了达到消灭我８３２师的目的，决定立即强行军追击，并让２０师团快速跟进。正当日军肆无忌惮地追击了一阵之后，先头部队在里八庄遭到杨成武的伏击部队的迎头痛击，而在的日军主力部队赶到时，又不见了踪影。日寇遭此打击，只得小心翼翼地追击了，速度大大减慢，最终８３２师从容地跃入吕梁山脉，并与八路军司令部汇合。大同的战斗，我军在弱势情况下，以伤亡约５个团的代价，歼灭敌人近２个联队（打伤不算），迟滞敌人超过一周，为我军今后的战略部署赢得了宝贵的时间。

正因为有了８３２师的灵活作战，使我军４１军进入了中条山，７２军进入了新乡一带，５１军进入了邯郸一带，准备在晋南进行会战，把日寇更多的部队吸引到吕梁山脉与太行山脉之间。提高黄河改道的“效率”，消灭日寇的有生力量，减轻今后作战的压力。