8 月 20 日，第 26 师团主力集结完毕，驻蒙军司令部正式下令进攻神池。21 日下午，26 师团主力进入朔县境内，并开始出动飞机轰炸神池县城。22 日拂晓时分，26 师团下辖的步兵独立第 11 联队大举进攻龙泉镇，拉开了神池战役的序幕。
防守神池县的是预 3 团和神池县保安团，兵力约 4000 人左右。在日军大举进攻后，驻防五寨县的 786 团立刻北上增援，与预 3 团形成犄角之势，凭借有利地形，顽强抵抗。
在日军的进攻路线上，守军将士先后布下十二道防线，节节抵抗。同时，驻防偏关县的预 2 团立刻出发，进入朔县境内，一面尾随背击 26 师团主力，一面破坏 26 师团辎重补给线，以牵制 26 师团对神池县的进攻。
自 22 日开始，双方鏖战一周，26 师团被死死拖住，尽管连续攻破了守军 8 道防线，却依旧未能攻到神池县城下。由于李宏早在收复神池县后就预想到了日军大举进攻，因此在神池县境内不仅修筑了大量的防御工事，还囤积了大量弹药。因此自日军进入神池县境内，除了要应付正规军之外，还要应对全县民兵不间断地袭扰，进攻速度受到极大影响。
8 月 27 日，李宏率军从岢岚县正式北上，先抵达五寨县，随后由五寨县进入神池县。经过两的强行军，终于在 29 日抵达了神池县城。
此时，防守县城的兵力只有保安团一个营，其余兵力全部被拉上前线，抵抗日军攻势。李宏进入神池县城后，立马接通预 3 团电话，询问前线战况。
得知李宏率领援军抵达县城，预 3 团团长马志远激动不已，连忙汇报道：“报告司令，我是预 3 团团长马志远，我团目前正在坚守第 9 道防线，鬼子攻势很猛，防线已经被摧毁三分之一，眼下正在激战郑”
李宏从电话里听到了激烈的枪炮声，于是紧接着问道：“马团长，你团现在还有多少兵力，能坚守多久？”
马志远信心满满地回答道：“司令，我团目前还有 1500 人，再坚守个几不成问题。”
李宏随后又从马志远嘴里了解到了日军的情况，心中逐渐对于战局有了清晰的认识。紧接着李宏又打电话询问杨宇，印证了马志远所言非虚。
于是，了解完战况的李宏立刻开始思考如何击退 26 师团。
根据战况，眼下敌我双方虽然战斗非常激烈，但兵力上并没有多大损失。26 师团一改往日猛冲猛打的风格，进攻中一旦遇到挫折便撤回，然后调集重火力猛轰，等轰炸结束后再接着进攻。如此一来，26 师团虽然进展缓慢，但攻击力却丝毫不弱，并且兵力还没有多少损失。
李宏感到头疼，这 26 师团何时变得如此谨慎了，崇尚火力进攻，不搞武士道万岁冲锋那一套，这样一来，想要重创他们怕是很难做到了。
其实 26 师团之所以会有如此表现，也是因为莲沼蕃等人接连在李宏手里吃亏，已经有了心理阴影。因此在此次进攻之前，莲沼蕃就特意叮嘱前线的后宫淳，尽可能的避免短兵相接，发挥帝国军队的火力优势，最大限度减少兵力损失。为此，莲沼蕃不仅调集了一个野炮兵大队加强给 26 师团，还命令航空兵随叫随到，全力支援 26 师团进攻。
但在 26 日莲沼蕃得知南线的独立第 3 混成旅团已经败走岚县时，他却开始有了退兵的想法。毕竟自 26 师团主力进攻神池县后，晋北各地兵力一下捉襟见肘起来，面对抗日游击队的进攻，常常是顾此失彼。23 日晚上，位于怀安柴沟堡一带的铁路遭到晋察抗日支队的破坏，导致一列火车侧翻，损失物资不计其数。次日，同蒲路大同至怀仁县一段铁路遭到严重破坏，铁路守备队更是遭到伏击，死伤大半。
一连串的袭击让莲沼蕃顿感压力巨大，并且前线的战局也受到了很大影响。后方的物资已经很难再运输到 26 师团手里，无处不在的游击队将晋北的铁路、公路尽数破坏，交通已经瘫痪大半。
因此莲沼蕃心里退兵的想法越来越强烈，他多次和后宫淳通电话，希望可以退兵。
然而打了这么长时间，却连神池县城面都没见到的后宫淳却非常不甘心，他不想无功而返，于是执意要打下神池县再退兵。为此，后宫淳据理力争，不断劝莲沼蕃打消退兵想法。最终，莲沼蕃同意了后宫淳的意见，但是也给后宫淳提了要求，那就是尽可能保存 26 师团兵力。
从 27 日开始，后宫淳加大了攻势，飞机大炮轮番上阵，坦克、装甲车掩护步兵冲锋，打得守军毫无还手之力。即便如此，26 师团的前进速度也依旧没有多少变化，公路、桥梁全部被破坏，沿途地雷密布，每前进一步，都要冒着生命危险。
李宏率领援军的到来，不仅充实了己方的力量，也大大鼓舞了前方部队的军心士气。
当下午，杨宇所部全歼了日军一个中队，并乘胜发动反攻，击毁日军 2 辆坦克，迫使日军后退 2 公里，停止了进攻。
入夜之后，后宫淳也选择偃旗息鼓，停止了进攻。与佐佐木到一不同的是，后宫淳这些被中国军民无休止的袭击已经搞得有了条件反射，黑前的一个时他就下令部队转入防御，修筑防御工事。同时，狡猾的后宫淳还在阵地外围布下了不少陷阱，设置了明暗双哨。
杨宇和马志远本想趁夜组织反攻夜袭，结果部队还没有接近日军阵地，就被日军哨兵发现，莫名挨了一顿炮轰。若非撤退及时，必会伤亡惨重。
鉴于此种情况，二人打消了夜袭日军的想法，安心的养精蓄锐，应对明的战事。
这一夜，敌我双方很有默契的全都偃旗息鼓，相安无事。
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