当天晚上，十架重型投石机终于抵达了赤塘关，牛皋当即下令，在简单检修后，攻城投石机连夜向城池发动进攻。
赤塘关外，十架重型投石机轰隆隆向关城靠近，关城城头上，千余名守城士兵望着体型庞大的投石机，俨如巨兽一般，双股都忍不住一阵阵战栗，关城内乱成一团，副将王景枫下令将所有物资搬移后退，除了二十架中型投石机。
二十架中型投石机已经准备就绪，这种投石机可以将三十斤的重物抛射到一百五十步外，张中孚也知道投石机威力太小，为了增加射程，张中孚采用了金国工匠发明的牛皮火球。
这种牛皮火球实际是仿制宋军的火布球，宋军是用火布密密扎一个布球，金国没有火布，便用生牛皮一层层包扎，做成一个弹性极好的球状，重约二十余斤，上面涂满了火油。
这种牛皮火球最大的优势是弹性好，虽然射程只有一百五十步，但它会继续向前弹跳，冲到一里外才停下。
王景枫注视着越来越近的敌军投石机，他必须抢占先机，立刻大吼一声，“发射！”
守军的二十架中型投石机同时发射，将二十颗赤亮的火球投上天空，城上城下，所有的目光都盯住了天空的火球。
火球在一百五十步处落下，随即又高高弹起，继续向前疾速，速度飞快。
指挥投石机统领马蔚见对方火球来势凶猛，已经来不及将阻挡木架放在投石机前，他大喊一声，“结盾阵！”
数千士兵纷纷举起盾牌集结，迅速形成十座巨大的盾阵，呼啸而来的火油球重重砸在盾阵上，发出‘嘭！嘭！’的巨大声响，火油球又高高弹起，从投石机头顶掠过。
这时，后方的两千宋军士兵抬着巨大的挡板跑来，安放在投石机面前，这下就不怕敌军的火油球了。
一轮火油球进攻有惊无险，但宋军已经不再给对方第二轮发射的机会了，十架重型投石机同时发射，十只薄皮火油罐腾空而起，每只火油罐重约八十斤，外面也燃着烈火。
十只巨大的火油罐有七只砸在城头，另外三只砸进城内，陶罐粉碎，火油倾泻而出，立刻被碎片上的火点燃了，城上城下顿时变成一片火海。
城墙上的协从军士兵纷纷报着湿被褥奔上前，企图用湿被褥灭火，用泥沙灭火还没有学到位，但用湿被褥灭火已经很熟练了，确实有点效果，熊熊燃烧的火焰变暗了。
但灭火的速度远远赶不上宋军的发射速度，一轮刚射完，第二轮便发射了，这一轮，十只火油罐都击中了城头，城头上，烈火再度燃起。一百多名灭火士兵变成了火人，哀嚎着向城下逃去。
紧接着第三轮、第四轮、第五轮投石机发射，整个城头上变成一片火的海洋，浓烟滚滚，火焰飞腾，所有士兵都被逼下城去。
投石机继续向前百步，再次投掷了数十只火油罐，城内也变成了一片火海，二十架投石机被烈火吞没，储存在城下的三百桶火药被点燃，惊天动地的爆炸了，形成一朵巨大的蘑菇云。
守军士兵吓得心惊胆战，纷纷后撤，距离南城两里范围内，再无一兵一卒。
牛皋一挥手，“弓箭阵部署，攻城槌上！”
一万弩手飞奔上前，在距离城墙百步左右列下了弓弩大阵，百名士兵抱着一根巨大的攻城槌向城门奔跑而去
这时，投石机还在发射，将一捆捆百斤重的麦秸抛进城去，火势更大，任何躲藏的士兵都不可能再有立足之地。
‘一、二、三！’士兵一声大喊，抱着攻城槌向城门撞去。
“轰！’一声巨响，城门剧烈晃动，上面尘土扑簌簌落下。
“再来！”
百名士兵抱着攻城槌后退数十步，大喊一声，抱着攻城槌向前猛冲。
“轰！’又是一声惊天动地的闷响，城门被轰然撞开了。
可以看见城内烈火飞腾，浓烟弥漫，数十名士兵搬来两块大石，顶住城门。
这时，宋军攻势停止，所有人都在耐心等待火势变小。
四更时分，火势渐渐变得稀疏，牛皋当即下令道：“弩箭出击！”
万名弩箭手一起向城内放箭，万箭齐发，一片巨大的箭云腾空而去，飞射了城内，一连射了三轮，确保不会有埋伏。
牛皋战刀一挥，“大军入城！”
一千扛着木板的士兵率先入城，他们动作十分迅速，在极端的时间内用木板铺出一条三百步长的木板路，紧接着是五千重盾军入城，他们手执短矛，高举重盾奔跑，在他们身后是一万骑兵，紧接着是一万弩军，最后是一万长矛步兵。
当然没有那么快，山谷也容不下那么多人。
山谷内，重盾军士兵以百人为一排，列成五十排，迅速向前推进，在重盾军背后和两侧是一万骑兵，军队推进异常迅速，不断占领了一座座军营和仓库，看得出协从军撤军非常仓促，仓库门还没有开启，营房内很多私人物品也没有来得及拿走。
距离北城关还有一里，前面忽然密集的箭矢射来，一万协从军士兵都集中在这里了，用弓箭向宋军发动突然袭击。
只不过他们遇到了谨慎的牛皋，牛皋坚持不用骑兵突击，而是用重盾士兵开路，就是为了防备敌军的弓箭袭击。
宋军士兵大喊一声，纷纷举盾抵挡弓箭，一步步向前，距离敌军弓箭阵还有数十步，忽然从两侧各杀出一支骑兵，瞬间冲进敌军弓箭阵型中，骑兵杀进弓兵群，俨如猛虎如羊群，杀得敌军尸横遍野，血流如河。
八千弓箭大阵中，杀进了两千骑兵，只片刻弓兵便崩溃，哭喊着、哀嚎着拼命向城头逃命，城头上的士兵不准他们上来，用盾牌顶住，两侧甬道上挤满了士兵，大声哀求哭喊。
张中孚叹息一声，下令道：“开城门！”
下达了命令，他自己也迅速沿着梯子爬下关城，翻身上马，带着百余亲兵向北逃去。
这时，城门却开不了，城洞内挤满了士兵，把大门堵死，上城之道被堵住，出城之道也被堵住，数千协从军士兵陷入了绝望之中。
一名大将疾奔而来，大喊道：“都统有令，投降者可免死！”
宋军骑兵一起大喊，“投降者免死！”
瞬间敌军士兵跪满了一地，所有士兵都扔掉兵器，举起了双手。
天渐渐亮了，北关门大开，一队队协从军士兵被骑兵押解出来，缴获各种兵甲、物资、粮草堆积如山。
这一战宋军以伤亡不到百人的代价，全歼敌军一万人，其中俘获七千四百余人，杀死两千余人，跟随主将张中孚逃走者也不足百人。
宋军随即北上，占领忻州的秀容县和定襄县，也就在此时，牛皋接到斥候消息，一支万余人的契丹骑兵正从代州方向向忻州杀来，前军队伍刚刚进入忻州。