當天晚上，十架重型投石機終於抵達了赤塘關，牛皋當即下令，在簡單檢修後，攻城投石機連夜向城池發動進攻。
赤塘關外，十架重型投石機轟隆隆向關城靠近，關城城頭上，千餘名守城士兵望着體型龐大的投石機，儼如巨獸一般，雙股都忍不住一陣陣戰慄，關城內亂成一團，副將王景楓下令將所有物資搬移後退，除了二十架中型投石機。
二十架中型投石機已經準備就緒，這種投石機可以將三十斤的重物拋射到一百五十步外，張中孚也知道投石機威力太小，爲了增加射程，張中孚採用了金國工匠發明的牛皮火球。
這種牛皮火球實際是仿製宋軍的火布球，宋軍是用火布密密扎一個布球，金國沒有火布，便用生牛皮一層層包紮，做成一個彈性極好的球狀，重約二十餘斤，上面塗滿了火油。
這種牛皮火球最大的優勢是彈性好，雖然射程只有一百五十步，但它會繼續向前彈跳，衝到一里外才停下。
王景楓注視着越來越近的敵軍投石機，他必須搶佔先機，立刻大吼一聲，“發射！”
守軍的二十架中型投石機同時發射，將二十顆赤亮的火球投上天空，城上城下，所有的目光都盯住了天空的火球。
火球在一百五十步處落下，隨即又高高彈起，繼續向前疾速，速度飛快。
指揮投石機統領馬蔚見對方火球來勢兇猛，已經來不及將阻擋木架放在投石機前，他大喊一聲，“結盾陣！”
數千士兵紛紛舉起盾牌集結，迅速形成十座巨大的盾陣，呼嘯而來的火油球重重砸在盾陣上，發出‘嘭！嘭！’的巨大聲響，火油球又高高彈起，從投石機頭頂掠過。
這時，後方的兩千宋軍士兵擡着巨大的擋板跑來，安放在投石機面前，這下就不怕敵軍的火油球了。
一輪火油球進攻有驚無險，但宋軍已經不再給對方第二輪發射的機會了，十架重型投石機同時發射，十隻薄皮火油罐騰空而起，每隻火油罐重約八十斤，外面也燃着烈火。
十隻巨大的火油罐有七隻砸在城頭，另外三隻砸進城內，陶罐粉碎，火油傾瀉而出，立刻被碎片上的火點燃了，城上城下頓時變成一片火海。
城牆上的協從軍士兵紛紛報着溼被褥奔上前，企圖用溼被褥滅火，用泥沙滅火還沒有學到位，但用溼被褥滅火已經很熟練了，確實有點效果，熊熊燃燒的火焰變暗了。
但滅火的速度遠遠趕不上宋軍的發射速度，一輪剛射完，第二輪便發射了，這一輪，十隻火油罐都擊中了城頭，城頭上，烈火再度燃起。一百多名滅火士兵變成了火人，哀嚎着向城下逃去。
緊接着第三輪、第四輪、第五輪投石機發射，整個城頭上變成一片火的海洋，濃煙滾滾，火焰飛騰，所有士兵都被逼下城去。
投石機繼續向前百步，再次投擲了數十隻火油罐，城內也變成了一片火海，二十架投石機被烈火吞沒，儲存在城下的三百桶火藥被點燃，驚天動地的爆炸了，形成一朵巨大的蘑菇雲。
守軍士兵嚇得心驚膽戰，紛紛後撤，距離南城兩裡範圍內，再無一兵一卒。
牛皋一揮手，“弓箭陣部署，攻城槌上！”
一萬弩手飛奔上前，在距離城牆百步左右列下了弓弩大陣，百名士兵抱着一根巨大的攻城槌向城門奔跑而去
這時，投石機還在發射，將一捆捆百斤重的麥秸拋進城去，火勢更大，任何躲藏的士兵都不可能再有立足之地。
‘一、二、三！’士兵一聲大喊，抱着攻城槌向城門撞去。
“轟！’一聲巨響，城門劇烈晃動，上面塵土撲簌簌落下。
“再來！”
百名士兵抱着攻城槌後退數十步，大喊一聲，抱着攻城槌向前猛衝。
“轟！’又是一聲驚天動地的悶響，城門被轟然撞開了。
可以看見城內烈火飛騰，濃煙瀰漫，數十名士兵搬來兩塊大石，頂住城門。
這時，宋軍攻勢停止，所有人都在耐心等待火勢變小。
四更時分，火勢漸漸變得稀疏，牛皋當即下令道：“弩箭出擊！”
萬名弩箭手一起向城內放箭，萬箭齊發，一片巨大的箭雲騰空而去，飛射了城內，一連射了三輪，確保不會有埋伏。
牛皋戰刀一揮，“大軍入城！”
一千扛着木板的士兵率先入城，他們動作十分迅速，在極端的時間內用木板鋪出一條三百步長的木板路，緊接着是五千重盾軍入城，他們手執短矛，高舉重盾奔跑，在他們身後是一萬騎兵，緊接着是一萬弩軍，最後是一萬長矛步兵。
當然沒有那麼快，山谷也容不下那麼多人。
山谷內，重盾軍士兵以百人爲一排，列成五十排，迅速向前推進，在重盾軍背後和兩側是一萬騎兵，軍隊推進異常迅速，不斷佔領了一座座軍營和倉庫，看得出協從軍撤軍非常倉促，倉庫門還沒有開啓，營房內很多私人物品也沒有來得及拿走。
距離北城關還有一里，前面忽然密集的箭矢射來，一萬協從軍士兵都集中在這裡了，用弓箭向宋軍發動突然襲擊。
只不過他們遇到了謹慎的牛皋，牛皋堅持不用騎兵突擊，而是用重盾士兵開路，就是爲了防備敵軍的弓箭襲擊。
宋軍士兵大喊一聲，紛紛舉盾抵擋弓箭，一步步向前，距離敵軍弓箭陣還有數十步，忽然從兩側各殺出一支騎兵，瞬間衝進敵軍弓箭陣型中，騎兵殺進弓兵羣，儼如猛虎如羊羣，殺得敵軍屍橫遍野，血流如河。
八千弓箭大陣中，殺進了兩千騎兵，只片刻弓兵便崩潰，哭喊着、哀嚎着拼命向城頭逃命，城頭上的士兵不准他們上來，用盾牌頂住，兩側甬道上擠滿了士兵，大聲哀求哭喊。
張中孚嘆息一聲，下令道：“開城門！”
下達了命令，他自己也迅速沿着梯子爬下關城，翻身上馬，帶着百餘親兵向北逃去。
這時，城門卻開不了，城洞內擠滿了士兵，把大門堵死，上城之道被堵住，出城之道也被堵住，數千協從軍士兵陷入了絕望之中。
一名大將疾奔而來，大喊道：“都統有令，投降者可免死！”
宋軍騎兵一起大喊，“投降者免死！”
瞬間敵軍士兵跪滿了一地，所有士兵都扔掉兵器，舉起了雙手。
天漸漸亮了，北關門大開，一隊隊協從軍士兵被騎兵押解出來，繳獲各種兵甲、物資、糧草堆積如山。
這一戰宋軍以傷亡不到百人的代價，全殲敵軍一萬人，其中俘獲七千四百餘人，殺死兩千餘人，跟隨主將張中孚逃走者也不足百人。
宋軍隨即北上，佔領忻州的秀容縣和定襄縣，也就在此時，牛皋接到斥候消息，一支萬餘人的契丹騎兵正從代州方向向忻州殺來，前軍隊伍剛剛進入忻州。