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整顿两日，数万明军开始从十余处阵地先后‘进攻镇虏卫城。
清军巴牙喇营的千余巴牙喇精骑算得上阿济格最为精锐的战士，但随着巴牙喇纛章京鳌拜巴图鲁的战死，阿济格放弃了最后一丝主动进攻的打算，全心全意环绕卫城构建防御阵地。然而，镇虏卫城周围地势开阔，且原有的壕沟、篱障、羊马墙等都被韩衮军事先填平或破坏，整座城内外几乎无险可据。清军能做的，只是野战加硬守而已。
镇虏卫城的清军尚有三万，明军数量虽是其数倍，但分布较广，轻易冒进仍有被各个击破的风险。赵当世采取的策略与洪承畴在松山堡之战、孙传庭攻打榆林卫时相同，以守为攻，在卫城外围构筑防线，掘壕设寨，利用火炮鸟铳等火器固守阻挡意欲野战袭扰的清军，再徐徐推进。
清军在城外没有据点可以倚仗，只能在关厢地带设营扎寨，方便野战部队进出。但赵当世调集军中大虎蹲炮，投射火药包、火油罐等易燃物，再以弓弩手密射火矢，焚起清军营帐数里，清军回身救火不及，又被明军迫近数百步。
阿济格之后紧急调动马军冲击明军阵地，但为坚固的鹿角阵及层层壕沟阻挡，又遭密集的鸟铳乱射，难以寸进。后撤之际，反遭明军骁骑自后撵杀，伤亡不少。阿济格随即转换策略，利用军中火炮反击。但明军同样以火炮对射，赵当世采用攻城传统的“高临法”，派遣兵士去远近山中砍伐了大量的柏木、杨木，赶工筑起数个长十余丈、宽五丈余、高达三丈，能同时容纳百余人的高台。
高台比城头还高不少，明军拖运火炮登台部署，鸟铳手间杂，轰鸣动地。飞铁熔铅，四面罗织，在空中倏倏作响，如鸷鸟之凌劲风。清军火炮无论准头、射程还是威力，都逊于明军火炮，且因仰射更处劣势，得到后来，根本没有了还手之力。只见得明军大炮小铳昼夜击打，城墙洞破如筛，守城清军不敢露影，甫一露头，辄中弹立毙。
一连三日，经过反复拉锯，明军的包围圈日益缩小，清军自焚关厢营寨，全线撤进卫城固守。赵当世分兵数部，以黄得功为前线总指挥，覃进孝、李延朗、谭弘、白旺等各为分部指挥，从几个方向攻城。为了不给清军喘息之机，又分一昼夜为三番，轮番不休，运用云梯、洞屋车等工程器械攀登破坏城墙，马军分布外围戒备，步兵