张学良闻讯后，急速增调三万余人投人战斗，并乘飞机亲临涿州上空视察，下令紧缩包围圈，仅在城西留出空隙地带，以备傅军撤逃。但傅军担心出城西后队伍可能会被拦腰截断，遂决定倾全力死守城池。
自十月十六日至十七日，仅短短的两天，奉军便连续进行了四次总攻击。一方死守，一方猛攻，炮击口以继夜，声闻百里，战况极为惨烈。
在各次总攻击中，奉军航空部曾派单机前来散发劝降传单并执行轰炸任务。但有一次竟将炸弹误扔在本军阵地上，炸死、炸伤了好多士兵。从此，一听到飞机声临近，围城奉军便首先跳出工事，向后方逃避，空中轰炸一时竟弄巧成拙。
由于涿州攻守战旷日持久，居民生命财产损失不断扩大，繁盛的南北大街成了一片瓦砾场，经涿州旅京同乡会呼吁和中国红十字会的提议，双方同意将城中的老弱妇幼放出，以免作无谓的牺牲。十二月十六日，双方暂停战斗，城里放出居民一千多人，个个面有菜色，精神萎顿不堪。
炮兵司令邹作华则利用此时机逐一探询，对城内傅军弹药、给养情况及傅作义的司令部所在地详加了解。当晚八时，邹作华调集重炮兵一团，以三十六门大炮同时向东门商会方面集中轰击，除炸死、炸伤许多居民外，房屋损毁尤多，傅作义也臂部受伤。
奉军前几次总攻击不但未能得手，且招致重大伤亡。万福麟孤注一掷，调动六辆坦克前来参战。奉军的坦克都是从法国买来的，共三十六辆。这种坦克原是第一次世界大战后的废品，行驶时发动机声音特别大，动作却非常缓慢。
新的攻击开始了，坦克向城墙一字排开对敌方开火。起初，凶猛的炮火成功地把对方火力压制住了。但在变换阵地时，车身刚向右拐，就被由城墙根火力点发射过来的炮弹击中侧面，立即有两辆歪倒在地上，刹那间便瘫换了，入夜，幸存的四辆勉强撤回后方，第二天攻击时又损失一辆，至此，这个坦克中队两战损失了半数，且对战事未有明显帮助。
经过多次总攻击，奉军一筹莫展，而傅军却愈战愈勇。万福麟不断受到张作霖的斥骂，最后，他狗急跳墙，决定进行化学战。
“咱们不是有氯气炮吗？把他们都给熏死吧！”万福麟黔驴技穷，竟不择手段了。
不几天，运来毒瓦斯炮弹五百发，弹头有红有黑：红色是燃烧弹，黑色是毒瓦斯弹。发射前，万福麟亲临炮兵阵地视察，并忏悔般地说：“我作损啦！不用说城里的人，就连耗子也统统会被熏死的！”
待五百发毒瓦斯弹和燃烧弹发射完毕，步兵部队蜂拥而上。不料开始攻城时，城上枪炮齐发，傅军火力未见稍减，奉军攻势又遭重挫。
万福麟马上传令指挥化学战的那个白俄来指挥部，问他这到底是怎么回事？对方回答说：“炮弹太少。欧战时，一次战役发射几万发才有效。”
其实，这种炮弹也是第一次世界大战中的剩余物资，大多数早已是失效的废品，奉军发射时，有几颗毒瓦斯弹刚出膛就落地了，发出的烟雾和怪味把炮兵阵地的官兵们吓得乱窜。后来涿州开城后，据城内傅军士兵说：“这种炮弹发出的气体比空气重，直往地下室或壕沟里沉，气味令人恶心。我们在高处，就没有受到伤害。”
阎锡山曾为此通电全国，遣责张作霖使用毒气弹，灭绝人性：而张作霖却以仅仅是施放烟幕弹以掩护攻城作辩解。
“不用打啦，把涿州城四周挖上壕沟，架上铁丝网。不投降，就把他们饿死在城里。”连续九次总攻击失败、一筹莫展之际，张作霖不得不下令说。
话虽这样说，但张氏父子仍没有放弃和平取得涿州的打算。张学良派人持函人城劝傅作义投降，保证优待，但傅作义回信说：“老师教授我们的战术中，可惜没有投降这一门课。”
最后，张作霖又派参议王剑秋率领傅作义的山西同乡会代表和红十字会等慈善团体代表来到涿州人城谈判。条件是：先将粮食、蔬菜等送进涿城；开城后，对傅作义尊重并优待；晋军士兵予以收编，不加歧视。
这时，傅作义死守涿州已两个多月，兵民交困，而阎锡山纵览大局，认为死守涿州已经失去战略意义，乃授意傅作义与奉军进行停战谈判。
一九二七年二月二十日，奉晋双方通电，宣告停止军事行动。傅作义于一九二八年一月六日打开涿州城门、亲率高级军官、幕僚出南门；奉军方面，万福麟以下高级军官、幕僚在南门外摆队相迎，在雄壮的军乐声中，双方握手言欢，互道辛苦。傅作义身着便衣，负伤的那只手臂还挂在绷带上。
