當蔣介石到陳誠的炮兵陣地進行督戰時，炮兵營長陳誠的部下抓住了一名敵軍的偵察人員。陳誠親自審問，終于使那人供出了北門城樓上隱蔽機槍的位置。第二天攻擊前，陳誠向蔣介石建議，將6門炮隱蔽運動到離城僅500米的小樹林里，實施近距離射擊，得到蔣介石的同意。東征軍采用蔣先云的建議，準備好一堆堆潑上煤油的濕稻草，在戰斗打響后點燃，讓滾滾濃煙順風吹向北城門，以阻擋敵人視線。
攻擊開始后，陳誠第一炮就打掉了那個隱蔽的機槍位置，并很快將北門城樓右側10米處炸開一個缺口。炮擊過后，數百名奮勇隊員用竹梯翻爬城墻。在第四團當連長的陳賡在奮力爬城時被子彈打中右腳，他用手拔出彈頭繼續沖殺。奮勇隊第一攻擊梯隊指揮陳明仁第一個登上了城頭。幾乎同時，蔣先云的第七團也攻破西門，但蔣先云也3處負傷。何應欽見登城成功，立即命令總預備隊沖鋒。楊坤如聽到北門告急，本想親自上北城門督戰，但由于炮火太猛，只得率部從東門逃走，在逃跑中被擊傷。
城門被打開后，東征將士各部隊分別入城，一面在街上將殘敵繳械，一面跟蹤追擊。下午5時30分，惠州在30個小時內被東征軍攻克。此役東征軍共殲敵2000余人，而東征軍也傷亡近1000人。到下午6時，東征軍已將城內戰場打掃完畢，宣傳隊也進入城內開展安民活動。
16日下午2時，東征軍官兵集會追悼陣亡將士，會場上懸掛由蔣介石題寫的“陣亡將士精神不死”的橫幅。宣讀祭文后，總政治部主任周恩來發表了講話。同日，蔣介石宣布拆除惠州城墻。