回掩体，新列装的作霖式冲锋枪则在近战中发挥出巨大威力，士兵们端着冲锋枪冲入日军的散兵坑，近距离的火力压制让日军毫无还手之力。战至上午十点，第一旅已突破诸暨西北的三道防线，逼近城西的火车站，将日军的防御圈压缩了近三分之一。
刘振的第二旅则从西南方向发起进攻，这支部队以穿插战术见长，士兵们轻装突进，避开日军的正面防线，从山间小路绕到诸暨城南，切断了日军城区与南郊据点的联系。日军试图依托浦阳江的渡口构筑第二道防线，用机枪封锁江面，却被刘振部的辽二十重机枪压制在江堤后。刘振当即下令组建突击分队，乘坐木船强渡浦阳江，突击队员们身背火焰喷射器，登岸后对着日军的江堤工事喷射火焰，熊熊烈火中，日军的防御瞬间崩溃。下午两点，第二旅成功控制诸暨城南的渡口与桥梁，与第一旅形成了对诸暨城区的合围之势。
接下来的几天，诸暨战役进入了惨烈的巷战阶段。日军112师团与独立25混成旅团的残部约八千人退入城区，依托街巷、民房与仓库构筑起层层防御，试图拖延时间等待援军。林虎在前线指挥所里，看着战报对罗耀桓说“不能给日军喘息的机会，让朱瑞的炮旅调整阵地，对城区的日军核心据点实施精准打击。”
朱瑞随即下令将155毫米重炮前移，对日军占据的诸暨县政府、火车站仓库等核心工事进行轰击，每一发炮弹落下，都能将日军的防御工事撕开一个大口子。李天保与刘振的部队则展开逐屋清剿，每个步兵班分成突击组、火力组与爆破组，突击组用M1步枪压制窗口的日军，火力组以轻机枪封锁街道，爆破组则用炸药包摧毁日军固守的房屋。在一处日军盘踞的当铺里，日军凭借厚实的砖墙负隅顽抗，刘震部的士兵架起巴祖卡火箭筒，一发火箭弹便轰开了墙壁，火焰喷射器随即跟进，将屋内的日军尽数歼灭。
5月15日，日军的抵抗已是强弩之末，杭州108师团的增援部队被第八旅邓华、第九旅钟伟死死挡在桐庐，奉化的110师团则被东南突击集群牵制，根本无法分身。诸暨城内的日军见援军无望，开始组织突围，约四五千名日军从城东方向向绍兴逃窜，李天宝当即下令派一个团追击，却因日军熟悉地形而让其侥幸逃脱。
5月16日清晨，随着诸暨城东最后一处日军据点被攻克，这场持续七天的攻坚战役宣告结束。此役，