但第41团阵地并不是日军的主攻方向。第40团这时遭到日军第37师团第225联队猛攻，突入多处，张金鹿团长亲自率部猛烈逆袭，反覆衝杀。第40团2营长张挺林率部在阵地中奋勇衝击，负伤达七次之多，壮烈殉国。第3营彭幼威营长见战局险恶，振臂大呼杀敌，与突入城内的日军白刃近战，逐退来敌。
第37师团步兵第226联队则猛攻第42团阵地。柴崇文团长奋勇迎战，奋力将日军驱退。日军为求速进，除集中炮火轰击外，并大量施放催泪瓦斯，而后，第226联队整齐列队衝锋，柴团长冷静指挥所部凭险据守，以准确密集火力杀伤日军，第226联队在第42团精准的火网下损失惨重，第226联队联队长冈村文人大佐在率队进攻中被流弹击中当场毙命，第3大队大队长马场少佐也被乱枪打死。该联队在衝锋中损失逾半，连城垣都没摸到，反而连续损失两名主要军官，阵脚大乱，狼狈撤回。
12月13日，日军继续向桂林城防阵地发动连续进攻。此时，对守军来说一件很要命的事情发生了。一直没有得到有效补充的守军炮弹及迫击炮弹已消耗始尽，除留少数火炮及最后决死之几发炮弹外，其余火炮悉数埋入地下。守城各部官兵完全无视战斗的残酷与死亡之恐怖，发挥同仇敌忾与团结精神到最大限度。（眼快看书 www.yankuai.com）因无医药治疗，轻伤官兵均自动重返第一线，甚至伤虽不轻尚能勉强行动者，均自愿留在阵地中，反正只有以激烈战斗来麻木自己。真正的重伤者，必缺胳博或断腿。尚能呻吟，而创口或五官未生疽者，比比皆是。
没有了火炮的支援，守军只能以手中的轻兵器应战。日军仍以大队级步炮混成兵力编成攻城敢死队，猛烈衝锋，四面钻隙，意图以绝对优势兵力突破各师防线。两侧阵地守军全力抗争，无奈火力不足，无法对日军构成有效的火力拦阻。经过激战，日寇终于突破守军阵地，侵入市区。守军与突入城内的日军与在皇城、东环路展开逐屋争夺战，同时，日军后续部队亦源源渡江增援；城北日军亦利用战车，在炮、空火力支援下，猛攻清潭山、龙山、虞山、吕祖山等据点。
桂林城破之后，各师官兵让日军付出了惨重的代价，每前进一步都非常不易，他们利用各种掩体向敌人进攻。
守军处境已非常艰难。被日军包围了四十多天，弹药早已靠美军飞机空投接济。由于日军掌握了制空权，空投亦很困难。现在两军又搅在一起，空投只好停止，一些部队弹药用尽，只能与敌拼刺刀。有时候枪枝被打坏了，官兵们就削尖竹竿当武器，有的战士被敌人围住后，就拉响了手榴弹。与弹药一样，守军粮食亦靠飞机空运，空投无法进行，粮食亦告断绝。
在此困境下，城中守军个团各营各排即使相互之间被冲断联繫，仍在街巷中自发组织起来迎战逆袭，与日军反覆拉锯相持，坚守不退，并将侵入北门的步兵第52旅团逐出。
赤鹿理中将见部队攻势迟滞，心急如焚，不顾可能造成攻城部队困难，召集第3航空师团主力空援，在桂林城中四处滥投燃烧弹，桂林城中处处大火，大半房舍均在烈焰之中，惨不忍睹。
在大举空袭之后，第40师团认为城中守军即使阵地仍在，也必然被这种规模的滥炸吓掉守城意志，于是乘机全力突进，却再次遭到第198师重创，守城部队以机枪击落日机一架，当头的步兵第236联队第1大队大队长也被击毙。一部份日军并突入城垣，营长甘若丹见防线被突破，立即果敢率部向城垣衝锋，用剌刀将日军逐出城垣，恢復阵地。甘营长则在白刃战中壮烈殉职。
第198师稳住脚步后，继续拒险痛击来敌。敌再调步兵第234联队进攻第198师，第234联队立下贯澈”武士道”的坚决誓言后，全联队向第198师疯狂猛扑，一路怪喊乱叫。守军前线指挥官不慌不忙，待日军逼近时突然发扬火力，攻城的日军立刻在机枪与迫击炮的打击中大片倒下，带头的第3大队大队长葛野立也被打死，敢死队死伤枕藉，再度仓惶溃退，连对着天照大神立下的武士的庄严誓词也全然不顾。
桂林城破之后，刘建业一直率领守军官兵在城内苦苦支撑，目的就是要坚持到援军的到来。可是，一封封求援的电报发出去，每次收到的电报都是让他再坚持死守。
因为受到守军坚决抵抗而迟迟不能攻占桂林的赤鹿理中将恼羞成怒，为了生存而反呈困兽犹斗之势。赤鹿理中将展开全部力量近4个师团攻城，连原先一直掌握在手里的预备队也全部投入战场。守军部队逐屋逐巷，艰苦抵抗。赤鹿理大怒，下令集结各式轻重火炮逐区分段将桂林城完全轰毁。赤鹿理中将嫌火炮效率太慢，竟然亲自至火线观察，下令炮兵冒险推进至第一线，隐藏于破损的民房中，实行零距离射击，并召集空中支援大肆狂炸，桂林又一次被日机炸成一片火海。
城西方向上日军在空袭后集结一个大队衝锋，在十余辆战车支援下猛攻两路口阵地。守军一个排坚持不退半步。于是，日军又集中炮火先将两路口所有民房轰为灰烬，又将守军的后路彻底破坏，但这个排还是巍然不动。
日军于是又想出另外的“高招”，仿效我国春秋战国时代齐国大将田单用火牛阵破燕兵的办法，白天将桂林城附近农民的耕牛