11月9日同一天，日寇发动第二次总攻。日军以3个师团又1个步兵联队，4个炮兵联队又4个炮兵大队，在陆军航空兵的配合下进攻桂林城。另以2个师团作进攻之掩护。
鬼子100多门火炮同时开火，桂军阵地浓烟四起。随后鬼子又趁着漓江涨水的机会，突破了我军的第二道铁丝网纺线。此时鬼子入城的部队已经达到了上万人。
桂林城内的巷战正式打响。日寇采取分区包围的战术，将城区分成若干个小区域逐一进攻。桂军则利用熟悉的地形优势，在街道设置路障，在房屋之间打通墙壁，形成四通八达的地下通道网络。城内的所有建筑物都打造成了碉堡，来自广西各地的民团士兵也组成了敢死队，他们将炸药包绑在自己的身体上，冲到敌军坦克前引爆自己...
中山路的巷战尤为惨烈。这条贯穿城区的主干道成为双方争夺的焦点。鬼子坦克无法在狭窄的街道中展开，被迫改用轻型装甲车。守军则在街道两侧的楼房中设置了大量射击点，利用居高临下的优势，给予敌人重创。
第93师一个连队在中山路与敌人展开了长达36小时的激战。他们在街道上设置了＂口袋阵＂，引诱鬼子深入后再实施合围。这种战术初见成效，一个鬼子小队在进入包围圈后被全歼。但鬼子很快改变战术，开始对建筑物实施系统性破坏。
东西巷的争夺战更为惨烈。桂军在这里设置了重要的弹药库，日寇投入了特种部队试图夺取。双方在不足百米的街道上反复争夺，楼房被炸得只剩框架。守军利用地下通道来回穿梭，打了一场典型的地道战。最终，守军在弹药即将耗尽时炸毁了弹药库，但也阻止了鬼子的进攻。
城北的解放路成为另一个激烈争夺点。这里地势较为开阔，日寇试图利用其优势兵力展开围攻。守军在制高点部署了狙击手，专门瞄准日军军官。一位狙击手击毙了8名日军军官，迫使敌人放缓了进攻节奏。
在城南的正阳街，桂军创造性地使用了＂活动堡垒＂战术。他们将装满沙袋的平板车推到街道上，随时变换射击位置。这种灵活的战术让日军投鼠忌器，不敢贸然推进。但鬼子随后使用了喷火器，迫使守军放弃了这种战术。
最惨烈的战斗发生在城中心的象山地区。这里地势险要，是守军的最后据点。日军调来了重炮，对象山实施了持续24小时的狂轰滥炸。守军躲在山洞中坚持抵抗，利用预先储存的弹药与敌人周旋。
一个特殊的战例发生在西门街。守军在这里设置了＂诱敌战法＂，故意露出防守空隙。当一个鬼子中队进入包围圈后，守军突然从四面八方发起攻击。这场战斗持续了整整一天，最终鬼子中队全军覆没。但守军也付出了惨重代价，一个排只剩下3人生还。
随着战事推进，守军的弹药逐渐耗尽。他们开始使用冷兵器与敌人肉搏，甚至用砖块、木棍进行反击。到处都是将手榴弹挂满身体的民兵，他们拎着大刀就从房屋中冲出来杀向鬼子。桂军在日军的强大攻势下，一个排一个连的战死，但是在残垣断壁中又很快杀出来其他部队。很多滞留在桂林城内的市民火线参军，连军装都没发就拿着武器抵抗日寇。在战斗最后阶段，桂林城内的每一条街道、每一栋房屋都成为战场。守军采用＂一屋一阵地，一人一堡垒＂的战术，与敌人展开殊死搏斗。这种惨烈的巷战，让鬼子付出了极其沉重的代价。
小鬼子在桂林反复的入城，然后反复的被赶出来，最后如此往复整整27次！
日军一个基层军官记载：\"今日我军遭到了自战争以来最凶猛的抵抗,城中到处都是枪声，到处都是地雷，全城都在肉搏，我大队900余人在战役结束后仅剩70余人，且多为伤兵。\"
日军第53师团师团长在给长官的电报中写道：“在广西，我们受到了当地土着武装史无前例的顽强阻击，土着武装装备极其简陋，但是却极其凶悍，他们根本就没想活着，勇猛程度远超我军，我军士气因此极其低落。”
131师392团担任连长的韦万泽，他率领接近200人防御桂林火车站一带。据他回忆：桂林已渐渐入冬，还飘起毛毛细雨，气温逼近零摄氏度，弟兄们虽然身穿棉衣，但都全身湿透，瑟瑟发抖。不过，没有一个人退缩，始终坚守在阵地上。大家吃生硬的炒米，用帽子接冰冻的雨水喝，等待反击的绝佳时机。
战争激烈，突围难度之大，还是出乎意料。日军的碉堡防不胜防，韦万泽带着连队突围，鬼子碉堡里机枪喷出 的火花压制得队伍根本无法前进，40多个弟兄在冲锋的瞬间倒下了一大片。等到韦万泽停下来整理队伍的时候，只剩下5个人。
更意想不到的是，后来他们又遇上了两处日寇的关口，士兵退守岩洞里，日寇用火熏，用炸弹轰炸，等全部过关突围到临桂时，整个加强连就只剩下韦万泽一人了。
131师部的一个补充营，原本是由每个连中选出的精锐战士组成，战斗力强悍，但在桂林保卫战中，也被迫承担起了防守任务。在鬼子重火力攻势下，补充营在中正桥阵地上与敌人展开了殊死的抵抗。整个营仅剩下包括营长蒙世恩在内的几名战士。蒙世恩营长带领着仅存的几名战士，发起了冲锋，这时架在高处的日军机枪响了，补充营全部壮烈牺牲。
此战中，国军大量高级军官牺牲，包括：170师副师长胡原基、131师第392团团长吴展、131师少将师长阚维雍、防守司令部参谋长陈济恒、31军参谋长吕旃蒙。
其中，桂林战役国军最高指挥官是城防司令、第16集团军副总司令韦云淞，他是侥幸突围。而排行第二的指挥官，就是牺牲的防守司令部参谋长陈济恒。
在和日寇激战中，陈济桓不幸负伤。为了避免成为俘虏，他写下遗书：11月10日于侯山坳受伤，口部及肩部各中一弹，因足伤不能脱离阵地，决以手枪自杀成仁，以免受辱。陈将军将信、手表交给卫兵后，毅然开枪自尽殉国。
131师师长阚维雍在桂林即将失守前拒绝撤退，并留下了绝笔诗：“千万头颅共一心，岂可苟全惜此身。人死留名豹留皮，断头不做降将军。”随后，阚维雍师长举枪自尽，壮烈殉国。桂林光复后，桂林人民将三位将军和800壮士安葬于七星公园内风景秀丽的霸王坪，并举行了隆重的追悼大会。
桂林一战中，我军伤亡余人，因毒气昏迷被敌军俘虏7000余人。桂林保卫战创下了抗战史上的一大记录，那就是没有一位战士是在意识清醒的情况下，主动向鬼子投降的。桂军广大官兵，不畏强敌，英勇作战，无愧于中华民族的铁血男儿。
而日寇也有文件显示：“皇军亡人，伤人，失踪300人，阵亡9名大佐及以上军官，31名中佐，100名中队长和小队长。”最后还有一句评价：“此战是我一生中经历过最惨烈的战役，并非因为规模，而在于人的勇猛。”
桂林虽然失守了，但是广西却守住了，日军最后也未能从广西进入越南。1945年夏天，桂军在美国空军的掩护下，大军杀入桂林城中。7月27日，桂军仅用一天就基本控制全城，第二天日寇就被基本肃清。
在抗战结束之前，广西沦陷的所有重大城市全部被桂军自己光复。桂军，真可谓狼兵也！