当蒋介石到陈诚的炮兵阵地进行督战时，炮兵营长陈诚的部下抓住了一名敌军的侦察人员。陈诚亲自审问，终于使那人供出了北门城楼上隐蔽机枪的位置。第二天攻击前，陈诚向蒋介石建议，将6门炮隐蔽运动到离城仅500米的小树林里，实施近距离射击，得到蒋介石的同意。东征军采用蒋先云的建议，准备好一堆堆泼上煤油的湿稻草，在战斗打响后点燃，让滚滚浓烟顺风吹向北城门，以阻挡敌人视线。
攻击开始后，陈诚第一炮就打掉了那个隐蔽的机枪位置，并很快将北门城楼右侧10米处炸开一个缺口。炮击过后，数百名奋勇队员用竹梯翻爬城墙。在第四团当连长的陈赓在奋力爬城时被子弹打中右脚，他用手拔出弹头继续冲杀。奋勇队第一攻击梯队指挥陈明仁第一个登上了城头。几乎同时，蒋先云的第七团也攻破西门，但蒋先云也3处负伤。何应钦见登城成功，立即命令总预备队冲锋。杨坤如听到北门告急，本想亲自上北城门督战，但由于炮火太猛，只得率部从东门逃走，在逃跑中被击伤。
城门被打开后，东征将士各部队分别入城，一面在街上将残敌缴械，一面跟踪追击。下午5时30分，惠州在30个小时内被东征军攻克。此役东征军共歼敌2000余人，而东征军也伤亡近1000人。到下午6时，东征军已将城内战场打扫完毕，宣传队也进入城内开展安民活动。
16日下午2时，东征军官兵集会追悼阵亡将士，会场上悬挂由蒋介石题写的“阵亡将士精神不死”的横幅。宣读祭文后，总政治部主任周恩来发表了讲话。同日，蒋介石宣布拆除惠州城墙。