2月14日，凌晨五点，就在热河战场开打的同一天，新5军也向山海关发起了进攻。
山海关外，新5军的炮兵阵地上，一门门火炮蓄势待发，扬起了炮口。
新5军军长刘小伟站在一处临时搭建的观察所里，面前摊着一张山海关的城防图，上面用红笔密密麻麻标着十七个外围据点。
站在他身边的是新27师师长刘建章和新28师师长宋金发。观察所外面的公路上，一队队步兵正沿着路沟向预定位置运动。
“吴司令把集团军直属的四个炮兵团都给了我们。”刘小伟的手指在地图上点了点，“野炮团、山炮团、战防炮团、火箭炮团，加上我们军的炮兵，今天早晨能打响的火炮超过两百门。”
他抬头看了一眼窗外，天边刚泛起鱼肚白。
“通知炮兵，五点四十开炮。刘建章，你的新27师从西面主攻关城正面，650团打头阵。宋金发，新28师分成两路，653团从北面抚宁方向迂回切断山海关到绥中的公路，654团从南面沿海岸线推进，防止日军从海上逃跑。655团作预备队，留在手里等我命令。”
刘建章问：“军长，外围十七个据点怎么分？”
“炮火准备的时候，火箭炮团专门打据点。”刘小伟指着地图上标了红圈的位置，“第一轮齐射打掉城墙正面的九个，第二轮打掉南北两翼的八个。打完之后，你的步兵冲上去清剿残敌，炮兵转为纵深射击，炸日军在关城内的集结点。”
宋金发接着又问：“军长，山海关守军虽然只有三千人，伪满军一千五，但关城墙高墙厚，正门城楼有钢筋水泥加固过。我们的榴弹炮轰得开吗？”
刘小伟看了他一眼：“轰不开也无妨，我们还有空中支援。”
他顿了顿，又说：“吴司令在战前会议上说过三天拿下山海关。我跟他说，一天就够了，所以今天日落之前必须给我拿下山海关。”
五点四十分，炮击准时开始。
率先开火的是集团军直属火箭炮团，三十六门一百零二毫米火箭炮在阵地上一字排开，炮管在晨光中冒着青烟。一声令下，一百多枚火箭弹拖着白色的尾迹飞向山海关外围据点，天空中布满了密集的烟痕。
紧接着，野炮团的七十五毫米野炮、山炮团的七十五毫米山炮、战防炮团的四十七毫米战防炮同时开火。新5军军部直属的榴弹炮营十二门一百零五毫米榴弹炮对准关城正门的城楼猛轰。
山海关外围的一号据点在炮击开始后不到三分钟就被火箭弹直接命中了。据点的弹药箱被引燃，连串的爆炸把土木砖石结构的碉堡整个掀上了天，里面的日军一个分队全部被埋在了废墟里。
二号据点的日军反应很快，士兵们在炮击中钻进了地下掩体。但国军的战防炮团把炮推到了距离据点不到八百米的位置上，用直接瞄准的方式一炮一炮敲掉了据点，使得日军失去了防御第最大依仗。
到上午八点，山海关外围十七个据点已经被打掉了十三个。残余的四个据点都在北面和南面的侧翼，被新28师的653团和654团分别包围了。
刘小伟在观察所里用望远镜看到了前线情况后，放下望远镜，对传令兵说：“告诉刘建章，650团可以上了。”
很快，冲锋号吹响，650团团长韩志成亲自带着一营冲在最前面。
山海关西面的城墙是明代修筑的老城墙，青砖砌成，墙基厚实。日军在外围据点失守后把全部重机枪都调到了城墙上，射击孔里不停地往外喷着火舌。650团一营的战士在距离城墙两百米的空地上被压住了，趴在一片冰冻的地上抬不起头。
韩志成趴在田埂后面喊了一声：“迫击炮！给我炸掉城门楼左边那个机枪眼！”
国军士兵迅速架起迫击炮，一轮齐射后，鬼子的重机枪连枪带人一起炸上了天。
韩志成从田埂后面跳起来，冲锋枪顶在肩上，大喊了一声：“跟老子冲！”
650团一营的战士从地上爬起来，像潮水一样涌向城墙根。城墙上残存的日军士兵从垛口往下扔手榴弹，不少国军战士被弹片杀伤。国军后方的轻重机枪、机关炮火力全开，疯狂压制日军火力点。
工兵班用爆破筒将城门炸开了一个大洞，650团一营二连的战士从豁口里钻了进去，和城门口守着的一队日军展开了近距离对射。
上午九点半，山海关西门被突破。
刘小伟在观察所里接到刘建章的电话：“650团已经进了西门，正在和日军打巷战。城墙上的日军还在抵抗，但火力已经被压制住了。”
“不要跟日军在巷子里纠缠。”刘小伟说，“进了城之后，650团沿城墙往南打，651团往北打，把城墙上的日军全部扫干净。652团直插城中心十字街口，切断日军南北联系。让宋金发的653团从北门压进去，南北夹击。”
他挂了电话，对参谋长说：“把预备队655团也推上去，让他们从西门跟进，跟在650团后面向南展开。”
参谋长问：“现在就用预备队？”
“用。”刘小伟说，“通知各部，速战速决，一鼓作气拿下山海关。”
山海关城内的巷战打得极为惨烈。
日军守备队长是一个叫山田的少佐，四十五岁，参加过淞沪会战和武汉会战，守城经验非常丰富。他的三千守军在经历了外围据点的炮击和西门突破后已经伤亡了近三分之一，但他在城中心十字街口布置了三道街垒防线，每道街垒后面都配备了轻机枪和掷弹筒。
650团沿城墙往南打的时候，遭到了街垒的侧射火力打击，冲在最前面的一个排猝不及防之下被打倒了一半。韩志成见状，带着一个班贴着墙根摸到街垒侧面，用手榴弹解决了对方。
第二道街垒更难打。日军把两挺重机枪架在一家当铺的二楼窗口，居高临下封锁了整个街口。韩志成叫来了火箭筒，从对面一家茶叶店的屋顶上轰掉了当铺二楼。
山田少佐在第三道街垒被攻克后，带着残余的卫兵退到了城东北角的文庙里。院墙有两米高，红漆大门紧闭，里面还有二十多个日军士兵，两挺轻机枪架在屋顶上。
652团的部队把文庙团团围住。团长站在庙门外喊话让山田投降，里面没有回答。过了片刻，文庙里传来一声枪响。团长带人冲进去的时候，山田已经倒在正殿的青砖地上，右手还握着手枪，太阳穴上有一个弹孔。
剩下十几个日军士兵跪在院子里，握着刺刀对准腹部，步枪整齐地放在身旁。他们的中队长在西门突破时就战死了，最后一个指挥官是军曹。军曹看着走进院子的国军士兵，解开了上衣的第一颗纽扣，露出里面缠在身上的白色布条。他把指挥刀对准腹部，用力捅了进去。
下午四点，新5军的军旗插上了山海关城楼。
刘小伟从西门走进山海关，只见战士们正在清理废墟里的日军尸体，一队俘虏的伪满军士兵低着头被押出城去。
刘建章从城墙上走下来，军装上全是灰土和硝烟，但精神很好。他向刘小伟敬了个礼：“军长，关城已全部肃清。日军守备队三千人，击毙两千一百余人，俘虏伤兵三百余人。伪满军一千五百人，被击毙六百余人，其余全部投降。我军伤亡一千一百人。”
刘小伟点了点头：“给吴司令发电。新5军已于2月14日攻克山海关。”