当夜，共军向核心阵地外围发起攻击。13日夜，再次发起攻击，经过4个小时的激烈战斗，歼敌2000余人。邱行湘带着残敌，逃进西北角阵地旁边一所高大建筑物内，这是敌人最后退守的据点——洛阳中学。
这里是一个长宽不到100米的地方，敌人在此构筑了坚固的工事，包括地面的和地下室，而且，这里还集中着206师的主力，共计5000余人。邱行湘幻想着凭借这些作垂死挣扎，等待援军的到来。这时，蒋介石分别由登封、偃师赶来的两路援军，均遭到阻援部队的顽强阻击。
而城内双方又进行多次交手。由于敌人在壕沟底密布着枪眼，左右侧火力猛烈，使共军两次攻击都未奏效。日16时半，共军集中炮火向敌核心阵地实施轰击。几十门大炮、一百多门小口径曲射炮在四十分钟内朝百米见方的阵地上发射1万多发炮弹，守军被炸得死的死，伤的伤。
随后，大军向该阵地发起攻击，很快肃清残敌，邱行湘及其部下全部成了俘虏。在共军攻城战斗强大声势震撼和威逼下，13日潞泽会馆一个连投降，14日西工发电厂一个营和九龙台的一个连均向共军缴械。
至此，古都洛阳被完全占领。同时，国民党援兵胡琏和孙元良的部队已越过登封、黑石关向洛阳逼近。鉴于已达到歼灭敌有生力量之目的，为了摆脱合围，共军在处理完善后工作后，主动有秩序地撤离洛阳。
17日，全部转移到洛阳以西以南地区，休整待机。3月18日晨，敌援兵整编11师、38师及124旅约6个旅的兵力进入空城洛阳。十天后38师奉命全部运到西安，11师也于同日东撤，以加强郑州及平汉路的守备。
洛阳城仅留下124旅驻守。4月3日，这个旅的主力也开往偃师，只丢下371团及一个保安团守备。陈赓决定再歼洛阳守敌，遂于4月4日指挥主力围攻洛阳。
国军发觉后，于5日晨弃城东逃，共军迅速追击，将其包围在东张古洞地区，经2小时战斗，全部被歼灭，共毙伤敌4600余名。古都洛阳宣告解放。
此役，歼国民党青年军第206师和国防部直属炮兵、汽车分队等共2万余人，从此切断了国民党军潼关至郑州的铁路联系，使豫西、太岳解放区连成了一片。
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