8月20日，第26師團主力集結完畢，駐蒙軍司令部正式下令進攻神池。21日下午，26師團主力進入朔縣境內，並開始出動飛機轟炸神池縣城。22日拂曉時分，26師團下轄的步兵獨立第11聯隊大舉進攻龍泉鎮，拉開了神池戰役的序幕。
防守神池縣的是預3團和神池縣保安團，兵力約4000人左右。在日軍大舉進攻後，駐防五寨縣的786團立刻北上增援，與預3團形成犄角之勢，憑借有利地形，頑強抵抗。
在日軍的進攻路線上，守軍將士先後布下十二道防線，節節抵抗。同時，駐防偏關縣的預2團立刻出發，進入朔縣境內，一麵尾隨背擊26師團主力，一麵破壞26師團輜重補給線，以牽製26師團對神池縣的進攻。
自22日開始，雙方鏖戰一周，26師團被死死拖住，儘管連續攻破了守軍8道防線，卻依舊未能攻到神池縣城下。由於李宏早在收複神池縣後就預想到了日軍大舉進攻，因此在神池縣境內不僅修築了大量的防禦工事，還囤積了大量彈藥。因此自日軍進入神池縣境內，除了要應付正規軍之外，還要應對全縣民兵不間斷地襲擾，進攻速度受到極大影響。
8月27日，李宏率軍從岢嵐縣正式北上，先抵達五寨縣，隨後由五寨縣進入神池縣。經過兩天的強行軍，終於在29日抵達了神池縣城。
此時，防守縣城的兵力隻有保安團一個營，其餘兵力全部被拉上前線，抵抗日軍攻勢。李宏進入神池縣城後，立馬接通預3團電話，詢問前線戰況。
得知李宏率領援軍抵達縣城，預3團團長馬誌遠激動不已，連忙彙報道：“報告司令，我是預3團團長馬誌遠，我團目前正在堅守第9道防線，小鬼子攻勢很猛，防線已經被摧毀三分之一，眼下正在激戰中。”
李宏從電話裡聽到了激烈的槍炮聲，於是緊接著問道：“馬團長，你團現在還有多少兵力，能堅守多久？”
馬誌遠信心滿滿地回答道：“司令，我團目前還有1500人，再堅守個幾天不成問題。”
李宏隨後又從馬誌遠嘴裡了解到了日軍的情況，心中逐漸對於戰局有了清晰的認識。緊接著李宏又打電話詢問楊天宇，印證了馬誌遠所言非虛。
於是，了解完戰況的李宏立刻開始思考如何擊退26師團。
根據戰況，眼下敵我雙方雖然戰鬥非常激烈，但兵力上並沒有多大損失。26師團一改往日猛衝猛打的風格，進攻中一旦遇到挫折便撤回，然後調集重火力猛轟，等轟炸結束後再接著進攻。如此一來，26師團雖然進展緩慢，但攻擊力卻絲毫不弱，並且兵力還沒有多少損失。
李宏感到頭疼，這26師團何時變得如此謹慎了，崇尚火力進攻，不搞武士道萬歲衝鋒那一套，這樣一來，想要重創他們怕是很難做到了。
其實26師團之所以會有如此表現，也是因為蓮沼蕃等人接連在李宏手裡吃虧，已經有了心理陰影。因此在此次進攻之前，蓮沼蕃就特意叮囑前線的後宮淳，儘可能的避免短兵相接，發揮帝國軍隊的火力優勢，最大限度減少兵力損失。為此，蓮沼蕃不僅調集了一個野炮兵大隊加強給26師團，還命令航空兵隨叫隨到，全力支援26師團進攻。
但在26日蓮沼蕃得知南線的獨立第3混成旅團已經敗走嵐縣時，他卻開始有了退兵的想法。畢竟自26師團主力進攻神池縣後，晉北各地兵力一下捉襟見肘起來，麵對抗日遊擊隊的進攻，常常是顧此失彼。23日晚上，位於懷安柴溝堡一帶的鐵路遭到晉察抗日支隊的破壞，導致一列火車側翻，損失物資不計其數。次日，同蒲路大同至懷仁縣一段鐵路遭到嚴重破壞，鐵路守備隊更是遭到伏擊，死傷大半。
一連串的襲擊讓蓮沼蕃頓感壓力巨大，並且前線的戰局也受到了很大影響。後方的物資已經很難再運輸到26師團手裡，無處不在的遊擊隊將晉北的鐵路、公路儘數破壞，交通已經癱瘓大半。
因此蓮沼蕃心裡退兵的想法越來越強烈，他多次和後宮淳通電話，希望可以退兵。
然而打了這麼長時間，卻連神池縣城麵都沒見到的後宮淳卻非常不甘心，他不想無功而返，於是執意要打下神池縣再退兵。為此，後宮淳據理力爭，不斷勸說蓮沼蕃打消退兵想法。最終，蓮沼蕃同意了後宮淳的意見，但是也給後宮淳提了要求，那就是儘可能保存26師團兵力。
從27日開始，後宮淳加大了攻勢，飛機大炮輪番上陣，坦克、裝甲車掩護步兵衝鋒，打得守軍毫無還手之力。即便如此，26師團的前進速度也依舊沒有多少變化，公路、橋梁全部被破壞，沿途地雷密布，每前進一步，都要冒著生命危險。
李宏率領援軍的到來，不僅充實了己方的力量，也大大鼓舞了前方部隊的軍心士氣。
當天下午，楊天宇所部全殲了日軍一個中隊，並乘勝發動反攻，擊毀日軍2輛坦克，迫使日軍後退2公裡，停止了進攻。
入夜之後，後宮淳也選擇偃旗息鼓，停止了進攻。與佐佐木到一不同的是，後宮淳這些天被中國軍民無休止的襲擊已經搞得有了條件反射，天黑前的一個小時他就下令部隊轉入防禦，修築防禦工事。同時，狡猾的後宮淳還在陣地外圍布下了不少陷阱，設置了明暗雙哨。
楊天宇和馬誌遠本想趁夜組織反攻夜襲，結果部隊還沒有接近日軍陣地，就被日軍哨兵發現，莫名挨了一頓炮轟。若非撤退及時，必會傷亡慘重。
鑒於此種情況，二人打消了夜襲日軍的想法，安心的養精蓄銳，應對明天的戰事。
這一夜，敵我雙方很有默契的全都偃旗息鼓，相安無事。
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