泰安城下，并且迅速向城池发动了猛烈攻击。
于是，日军指挥官立即下令外围防守部队放弃外围防线，立刻紧急回援泰安城。只是李云龙一直都通过电台与八路军的迂回部队保持密切联络，得知他们已经成功迂回到了泰安城下，又岂会轻易放日军回援。
他下令前沿部队密切监测日军动向，所以，小鬼子刚想撤退，他便得知了消息，立即下令全师出击，趁势向日军发动了猛攻。
日军归心似箭，自然无心抵挡，再加上离开了坚固的工事，根本不是装备精良，又有坦克和装甲车开路的龙牙纵队的对手，仅仅不到一个小时，便被龙牙纵队接连突破了三道野外防线，击杀日伪军数以千计，剩下的日伪军被龙牙四师紧追不舍，来到泰安城下时，又发现进城的道路被三万八路军死死堵住。
在龙牙纵队和八路军的前后夹击猛攻之下，数以万计的日伪军死伤惨重，待日军伤亡殆尽后，剩下的伪军识趣的选择了停止抵抗，当场投降。
第4师与三万八路军合兵一处，开始对泰安城发动更为猛烈的进攻，随着炮兵部队的大展神威，失去了城外主力部队的日伪军在龙牙纵队炮火覆盖下，死伤惨重，再也无力抵挡城外敌军的进攻，四个小时后，第四师的先头部队率先攻破日伪军城防，登上了泰安西城门，将红旗军旗插在了泰安城池之上。
鲜艳的红旗迎风飘荡，所有参与进攻的官兵们尽皆士气大涨，纷纷怒吼如潮，发动了更为猛烈的连绵进攻。
日军城内的指挥官得知防线已经被突破，于其办公室内切腹自杀，伪军头目见局势无法挽回，便主动率领城内残余伪军向龙牙纵队缴械投降，残余日军失去了有效的指挥后，变得不堪一击，很快便被各攻城部队，相继围歼在了各城区，最后仅有少量日军翻城墙仓皇逃出。
至此，泰安城被李云龙指挥六万多大军以迅雷不及掩耳之势光复，进攻之速度，甚至赶在了正面进攻的主力部队前面，消息传回后，乔佑华大喜过望，直接给李云龙发去了嘉奖电文，和左权商量后，他决定把第4师师长一职，正式交给李云龙担任，左权不再兼任，以示鼓励。