8月16日，首先到达张家口近郊双榆林的詹大南、段苏权部队，向两名寻找八路军联络投降的日军骑兵递交了朱总司令的命令。17日，八路军派出两名代表到日军蒙疆驻屯军司令部，向其参谋长中川宣读了朱总司令的命令。中川表示接受投降，但要请示北平司令官再办理投降事宜。次日，当八路军再次催促时，中川按冈村宁次命令答复，日军只向国民党政府投降，不向八路军投降。17日晚，詹大南接北线指挥机关转来的中央电示，赶往张北与苏军商谈联合作战。当天，易耀彩派出侦察小分队，并率部急速跟进。19日，詹大南抵达张北，与苏军商定20日两军分别从东南、北面夹击张家口市区。

20日6时，八路军第十二军分区部队兵分两路向张家口市区发起攻击。经过激战，第四十团攻占了东山坡南山日军碉堡，猛冲山下，占领了日驻蒙疆大使馆舍，并继续向清水桥方向攻击。同时，第十团一部打进日军荒井部队（后勤警卫）营房，消灭了部分日军。第十团主力在火车站与日军展开反复争夺，攻占了车站及周围建筑。下午3时，清水河以东全部被八路军占领，第十团二连攻占了十三里日军营房和飞机场。日军为掩护撤逃，疯狂反扑。八路军坚守清水河东岸一线至天黑，未见苏蒙联军如约攻击，遂转移到人头山、羊房堡一线。

21日15时，狼窝沟日军先头部队撤至人头山以西甲官坪，被第十团阻击，战至天黑，日军丢下几门山炮和部分马匹南逃。钟辉琨、陆平部队和延庆县支队攻占了康庄，破坏了怀来至康庄的铁路和公路大桥。

22日，八路军第十二军分区第十团、第四十团第二次向张家口市发起攻击，迅速占领了清水河以东。11时，从大同方向撤退的大批日军乘火车到达张家口。他们以铁甲车开道，在车站以西与八路军展开激烈争夺。八路军第十团、第四十团与日军展开激战，打退了日军十余次冲击。日军在敞车上火炮、重机枪的掩护下，夺路南逃。下午3时许，狼窝沟日军沿清水河东岸向火车站南撤，在油脂公司附近遭到八路军迎头痛击。双方战至黄昏，都有较大伤亡。趁此战斗间隙，大批日军分多路急速离张南撤，八路军再次撤回人头山营地。这天，著名民兵战斗英雄何金海率游击队夺取了下花园发电厂。八路军北线的第二十团也连夜越过洋河，逼近市区近郊，并进入市区侦察敌情。

23日拂晓，八路军第十二军分区第四十团侦察分队在市区发现，最后一批日本人正加紧向火车站集中，留守的伪军警大部龟缩在清水河东、伪蒙疆政府和德王府周围。于是，八路军第四十团从东窑子村迅速攻入市内，12时许包围德王府，发起政治攻势，迫使伪军政头目和700余名伪军警交械投降。八路军第十团再次攻入火车站，越过清水桥进入桥西，同溃散的伪军展开巷战，百余名伪军逃向万全，被追歼。八路军第二十团也于早晨向据守在赐儿山山坡的伪军猛攻，迅速歼灭了敌人，占领了大境门、西太平山、赐儿山一线制高点和市内部分地区及日伪机关。15时市内战斗基本结束。18时许，冀察军区机关和党校干部等队伍，陆续进入市区，接管伪警察局、广播电台、报社和医院，并迅速肃清残敌和派出守卫部队，分别向冀察军区和晋察冀军区报告收复情况。

收复张家口市战斗，共毙伤俘伪军警2000余人，日军200余人，缴获大炮50余门、步枪和轻重机枪1万余支（挺）、弹药库10余座、物资库60余座、军马1万余匹及大批其他物品。收复张家口市之后，冀察区党委、行署、军区决定成立中共张家口市委、市政府，连夜召开党政军主要领导人会议，讨论入城后的工作方针等问题。24日22时，张家口新华广播电台播出八路军收复张家口市的胜利消息。25日，晋察冀军区通电嘉奖参战部队。

张家口市的收复，是八路军开展反攻作战中收复的第一个省会城市。被日本帝国主义侵占8年之久的张家口，终于回到了人民手中，使晋察冀根据地和晋绥根据地，以及东北新解放区进一步连成一片，促进了全国战局的发展。