李一权的战役部署是以十五集团军的两个军和新一军的四个炮兵营围攻张家口，另以十五集团军的一个军和傅作义部的两个军组成北线打援集团；以新一军的两个师进攻大同，另以两个师和一个装甲旅组成南路打援集团；以独立三师和两个装甲营为战役总预备队。
在战术上，李一权要求攻城部队围而慢攻，但火力要猛、声势要大，待解决完敌援军之后再发起全力攻击。
张家口和大同均为日军必救之地，围点打援的战术肯定是正确的，但关键就要看日军出动多少援军了。
李一权不怕日军的援军多，就是一边来两个师团都可以，但他也知道这是不可能的，根据日军的兵力分布情况以及八路军对日军的牵制，日军撑破天在一个方向最多也就能投入一个师团，这个仗起码对新一军来说是可以打得舒舒服服。
大同和张家口被包围两天之后，日军果然从怀来和忻州派出了援军。
大同属于侵华日军华北方面军第一军管辖，所以增援部队自然来自驻山西的第一军；而张家口属于华北方面军蒙疆驻屯军，增援部队也理所当然的要先从蒙疆驻屯军派遣，所以援军实际上是来自华北方面军内的两个系统，各救各的火，时间和进度上并没有统一的协调。
为了配合绥察战场，八路军晋察冀军区出动了十多个团的正规部队和大量游击武装，对日军的交通线和中小据点展开了频繁袭击。这一方面使得日军不敢投入过多的增援兵力，另一方面也给日军造成了一个错觉，认为中国军队是想极力阻挠向张家口和大同的增援，抢在援军到达之前占领这两座城市，因此并没有过多防备中国军队的打援企图。
李一权接着又采取了进一步的迷惑行动，四航司的上百架飞机整天的围着两座城市打转转，把这两处日军的外围阵地都快炸成了平地，但在日军的增援路线上却一架飞机的影子也见不到。
张家口和大同守军的频频告急，使得日军援兵加快了前进速度，于五月二十日先后到达了大同以南二十四公里和张家口东南三十一公里处。日军这两个地方都已经可以听到了前方持续不断的爆炸声。
而就在这时，中国空军的大批轰炸机却出其不意的光临了，每个方向上几十架轰炸机轮番的狂轰滥炸，让日军援军遭受了惨重的损失，总计有五千多官兵伤亡，大批弹药和重装备被毁。
华北日军在战场上哪里见过这么猛烈的轰炸，有的官兵到中国来了好几年，甚至还没见过中国的飞机，猛一遭受这样的打击顿时乱了套，甚至没有估计到这是中国军队进攻的前兆。
正当日军忙于收拾残局的时候，中国军队已从四面围了上来。
新一军的两个师和一个装甲旅，对消灭日军一个被炸得乱七八糟的三单位制师团具有绝对的信心，战斗从下午十四点半打到十九点，就将日军分割成了零零碎碎的十余块分别包围了起来。
天上没有飞机敢来支援，地上没有五天时间不可能有援军到达的南路日军已注定逃不脱覆灭的下场。
北线打援战斗的进展虽然没有这么快，但中国军队依仗火力和人员的优势，还是将日军的一个师团包围在了长约十二公里、宽约四公里多的范围内。
十五集团军的装备只是较新一军差一些，但比别的部队却要强很多，集团军配有一个炮兵旅和一个装甲团，各军都有一个炮兵团和一个加强装甲营，手上的武器也是清一色的三六式。
傅作义部的两个军虽然没有装甲兵力和新式装备，但步兵武器的配置是相当齐备的，同样兵力的情况下绝不次于日军，火炮方面由于每个军都有一个炮团、另外又得到了新一军两个一百毫米迫击炮营的配合，所以炮兵力量还要强于日军。
再加上天上召之即来的轰炸机和战斗机，所以这两支部队并不胆怯阵，只是在战术的运用方面还不似新一军那样天衣无缝，单兵的素质也有一定差距，所耗费的时间和付出的代价也要相应多一些。
但部队的战斗力既是练出来的、也是打出来的。所以李一权决心不到万不得已不动用独立三师，让十五集团军和傅作义部独立解决战斗。
鉴于日军增援部队已被包围，五月二十一日清晨，中国军队就对张家口和大同发起了真正的攻击。
大同和张家口各有一个独立旅团和部分守备队的日军，当然伪军也会有一些的，但日军根本不敢把伪军用于防御，只能让他们守卫一些城内的地点以及维持下秩序。
一万多一点的日军，要设置外围阵地、要建立以城墙为依托的主防御体系，还要有纵深的反击兵力，不可能是面面俱到，兵力火力配置上必然有轻有重。
但围城的新一军和十五集团军就没有那么多的限制，都是土夯的城墙，几颗重磅炸弹下来、或是一阵120mm重炮的齐射，到处都可以打的塌下一大片，连坦克装甲车都能开上去，攻击点可视情有多处的选择。只要将城墙夺下，在上面建立了迫击炮阵地和重机枪火力点，不管是直接攻击、还是引导城外火炮对城内进行精确射击都很容易了。
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