战车第三师团的联队长栗栖大佐接到命令后，不敢怠慢，当即率其战车部队由洛宁向东北，沿着洛河北岸的公路赶赴洛阳。
第63师团至19日的下午，对洛阳以北的进攻，依然没有进展而且伤亡较大。
此时，敌华北方面军司令部的参谋们认为，这个师团是于去年6月中旬，由驻北京地区担任治安性任务的独立混成第15旅团为基础，编为野战师团，缺乏正规作战经验。
而该师团的师团长野副昌德中将，在任旅团一级指挥员时，较长时间担任着驻长春市的关东军第2独立守备队队长，在与东北抗日联军游击部队作战尚可，在北平附近执行治安性任务亦算胜任。
但要其指挥1个师团，与防守在洛阳的国军正规部队作战，经过一天的作战情况看，短时内并无取胜的希望。
华北方面军司令官冈村宁次、参谋长大城户三治，根据参谋们的意见，经多方考虑后，认为第12军向伊河、洛河上游的追击作战，已接近尾声，于是立即决定：由内山英太郎的第12军一并指挥第63师团，继续进攻洛阳。
接到此一命令的内山和寺垣忠雄，即派作战参谋折田正男大佐，户次俊雄中佐去第63师团进行联系，了解战况。
并派骑兵第4旅团之骑兵第26联队，快速至洛阳城南协同作战。
与此同时，冈村还命令第2飞行团的6架轻轰炸机，又对洛阳城北的上清宫守军阵地进行轰炸，以支援第63师团。
柳勇的67旅团，从5月19日在洛阳城北地区发起攻击后，有马敏雄中佐之独立步兵第137大队，被防守的部队击溃，该大队即在蒋沟以北防坦克壕的隐蔽处暂停，但已被守军的火力钉住。
根据这一情况，野副从洛阳城北约10公里的师团司令部驻地南陈庄出发，至西南方向的冢头镇67旅团，研究支援有马敏雄大队的方法，以及确定明21日的攻击重点放在旅团之左侧，以步兵、坦克、炮兵、航空部队进攻后洞的东南高地。
此时，第2飞行团的轻轰炸机，继续对上清宫一带的守军阵地进行轰炸，因两军的阵地相距较近，部分炸弹落在有马敏雄大队的阵地，致该敌遭误炸而又发生了不少伤亡。
为攻占后洞东南高地，21日中午，日军战车第3师团作战主任参谋永山，至第63师团研究晚间的战斗协同。
经过一番商议，日军方面决定由福永勇吉中佐之独立步兵第25大队及战车第13联队之中战车1个大队担任主攻，战斗打响后由佐贺胜郎少佐之炮兵队进行火力支援。
由于有了战车部队的协同进攻，战斗开始后，福永步兵大队，冒着守军反击的炮火前进，并突破了守军的一段外壕和障碍，守军立即加强了反击，以图对该敌进行大量杀伤并将其逐回。
福永亲立阵头指挥冲杀，在战车部队的协同下，激烈的战斗至晚上八点，后洞东南方向国军军防守的制高点二五七高地，被日军攻占。
随后，攻击洛阳西北方向营庄的敌小田二郎少佐之78大队，与战车第13联队长栗栖英之助中佐指挥的约20辆战车相配合，向营庄攻击时，因遭守军的有力反击而无结果。
接着该敌又组织进攻，双方由开始的激战、近战而变为混战，之后日军的1个战车中队迂回至营庄的背后，经前后夹击，营庄当晚被敌第78大队攻占。
22日傍晚，日军第2飞行团的机群及炮兵部队对西马坡一带，集中进行了轰炸和炮击后，67旅团的步兵部队和战车部队，一齐向该地攻击，至夜间西马坡附近之高地，被敌67旅团占领。
根据敌逐步攻占了洛阳城北各要点、各高地的情况，武庭麟军长于22日下午，命令15军之主力，由洛阳以北之邙山阵地，南撤至城区。
在这几天内，敌亦从城东、城南、城西发动了进攻，防守洛阳城的国军军第94师英勇抵抗，给进攻之敌以很大杀伤，仅击毙敌军即达700多人。94师伤亡近3000人，全师此时仅有作战人员1700人左右，但士气仍很旺盛。
5月23日，日军67旅团已突进至洛阳城北的火车站附近。
指挥进攻洛阳的敌内山英太郎之12军司令部，于5月23日5时，由伊川县的白沙镇西北约两公里之李村，移至洛阳西南约10公里之孙旗屯，并在洛阳以西的七里河设置了联络所。
按照内山第12军之部署，战车第3师团之机动步兵联队、战车联队、炮兵联队，已进至洛阳以西及西北地区，瓦田隆根的第12野战补充队亦归其指挥；63师团占领城北的邙山地区后，已推进至城北和城东，城南仍由清水昂的第74大队和骑兵第26联队担任攻击和监视。
随后，内山根据各攻击部队已达到了预定的位置等情况，作出决定，再次向洛阳守军提出开城投降之劝告，限定其答复之时间为26日正午，答复地点为洛阳城北门之日军步哨线。如不予答复则于26日下午13时，对洛阳城进行总攻击。
按照此规定，12军以大扩音器对洛阳守军进行播放，并从空中投下文告，劝国军军放下武器。
日军惯用的这些软、硬兼施之手段，自然遭到英勇作战的第15军及所属之64师、65师和94师的断然拒绝。
随后，第12军之战车第3师团、63师团及协同作战的第2飞行团，按计划对洛阳城发起总攻，内山中将亦于当日至七里河的前方指挥所进行指挥。
总攻开始后，日军首先集中炮兵、航空兵对洛阳进行攻击轰炸，使古城上空覆盖着浓密的硝烟。
随之，山路秀男的战车第3师团、野副昌德的63师团之所属部队均按划分的作战地段，发起进攻。
当日晚间，该敌之两个主攻方向，即洛阳城西北角与东北角均被突破。
按照空中摄影连结成的地图，战车第3师团选定洛阳城的西北角作突破口，山野边荣吉少佐之第1大队，对该地进行突破。
其攻击方法是：坦克群掩护步兵，开抵突破口地区的防坦克壕外缘停止，之后，以坦克上之火炮及机枪，摧毁和封锁城墙上及城墙根之堡垒与火力点。
在其掩护下到达壕边的步兵，即以绳索、软梯之一头，系于坦克的车体上，然后顺绳索、轵梯下降至防坦克壕底，冒着守军浓密的火力及投入防坦克壕中之爆炸物，再以铁梯爬上防坦克壕对面的陡壁和攀登城墙，掩护其工兵将防坦克壕两面的陡壁，炸成斜坡与炸塌城墙，使战车部队与步兵群，越过防坦克壕而冲进城内。
攻击开始后，山野边的第1大队攻占了洛阳城西北角，经工兵将防坦克壕的两面陡壁炸成斜坡和炸开城墙后，战车部队突至洛阳城内的西体育场，向其划定的城内作战分界线推进。
瓦田隆根的3个步兵大队及稻垣大队，也于18时30分从西城门外之精华街、万安街、攻入城内进至胡家街，魏家街、里仁巷一带。
战车第3师团机动步兵第2大队，进攻洛阳城西北角火车站附近之守军，以策应其攻城部队并阻止城内守军由此北撤。
由于洛阳的四外及其以远之郑州、许昌、嵩县、卢氏已被日军占领；防守洛阳的3个师，经6天紧张的战斗已被敌四面包围，部队伤亡较大，补给亦已中断，原定与15军共同防守洛阳的刘勘兵团，在洛阳以西和新安一带遭到敌12军1个步兵师团、1个战车师团、1个骑兵旅团的正面进攻和1个师团向嵩县地区迂回后，已向西南后撤。
此时在前线指挥的15军军长武庭麟，根据东面、南面敌军之主力，已进至伊河、洛河及洛阳以西附近；由曲垣县城关镇渡至黄河以南的敌军主力，仍在渑池及其东西地区的情况，随即令守城部队，从洛阳城东南一带，徒涉洛河撤入山区。
至此，洛阳被日军战车第3师团、步兵第63师团攻占。
消息传到北平，日军华北方面军上下一片欢腾，甚至于华北方面军还难得的在城里举行了**的庆祝会。
然而，华北方面军的好心情并没有维持多久，接着从北部防线传来的一个消息打了冈村宁次一个措手不及——李国耀所部出手了。