这时，从北面的临湘（今陆城）和东面的通城方向向云溪撤退的联军，乘机从侧后袭击阎旅，毙伤其官兵四百余名。
吴佩孚急令第五混成旅和张敬尧师之补充旅驰援阎旅。北军四个旅并力合击，终于在十五日下午攻占云溪。
北军攻占云溪后，立即对岳州城发起总攻。
其进攻部署是：
以第一混成旅之第一团为右纵队，沿江岸进击；
该旅之第二团和第四旅之第八团（欠第二营）为左纵队，从云溪向岳阳正面进攻；
湖北第三混成旅之第五团进驻对岸之白螺，防联军退往江北；
海军第二舰队派“楚观”号等四舰沿江梭巡，配合陆军进攻。
三月十六日上午总攻开始。右路第一混成旅第一团在舰炮配合下，一举攻占要隘城陵矶，其少数先头部队乘胜突入岳州城内。后见联军溃兵纷纷退入城内，恐被城外北军误攻，又退至城外。
十七日，各路北军会攻岳州。
这时，联军前线总司令程潜分析战场形势后认为：“一、二两路的敌军兵力皆比我雄厚，……如果我军与曹张部队在羊楼司和平江作胶着战，不能迅速解决，让张怀芝率部长驱进入湘东，我军势必腹背受敌，全军成俘。”
据此，他电令前线部队：“如不能进取，可退后暂将岳州让出，再行相机进击”。于是，守城联军于十七日夜弃城退守新墙。十八日上午，北军进占岳州。
三月二十一日，联军在新墙遭到北军第二、第三混成旅的夹击，稍事抵抗即向长沙败退。
在守卫岳州的战斗中，联军防御部队约有三师之众，又有便于防守的地形和事先构筑的工事，本可以打个漂亮的防御战，但结果却完全相反。联军作战之所以失利，主要由于湘桂军将领间矛盾重重，相互掣肘。其次是兵力分散，消极防堵。再者是装备落后，士气不振，骤遇北军新锐，便难于招架。
吴佩孚是北洋军阀的“后起之秀”，在这次作战中，他指挥部队对联军的阵地实行猛打猛冲，对联军的据点实行分路夹击，重点突破，虽然双方兵力不相上下，但他可以因战术得当，获得局部优势。致使联军陷于被动，连连败退。联军在岳州的失败，使湘省护法战争的形势急转直下，也给直系军阀吴佩孚提供了扬名的机会。
北军展开军事行动后，连战皆捷，岳州攻克后，北京政.府下令嘉奖。
电云：“据第一路总司令两湖宣抚使曹锟，援岳总司令张敬尧，海军第二舰队司令杜锡珪，迭次电呈，分路规复岳州，水陆兼进，所向有功，先后于月塘嘴、羊楼司、通城、临湘、古米山、九岭、白葛岭、天岳关等处，连次激战，迭获胜利，节节进逼。三月十七日，攻破岳州。逆军顽强抗拒，相持不退，经我军奋力攻击，并由舰队掩护业于十八日将岳州克复各等语。
“此次出师攻岳，自开始攻击以来，为期不过旬日，屡夺要隘，遂克名城，实由该总司令等调度有方，各将士忠勇用命，用能迅奏肤功，拯民水火，览电殊深嘉慰。仍着该总司令等，遂照电令.计.划，督率所部，奋勇进取，并先查明此次在事出力各将士，分别等差，呈请优奖。其阵亡被伤官兵，并准优予议恤，以昭激励而慰英魂。
“第念岳州临湘一带，人民重罹兵燹，流离颠沛，弗安厥居，损失赀财，危及身命，哀我湘民，叠被荼毒，与言及此，惨怛良深！应由宣抚使曹锟，迅派妥员，各路查明，加意抚恤，安集劳徕，各安生业。用副吊民伐罪之至意。此令。”?
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