多伦外面的日军纷纷撤退回多伦市区的西部，让抗四军和抗日同盟军的官兵松了一口气，他们利用这个机会，脱离了日军的追击。抗四军和原来二十九军的士兵还好，没被打死打伤的，多数还慢慢聚集回来，而其它部队的官兵，这一溃散后，有的就一直跑回家去了。
有些来抗日的年青人只是凭一时之气，热情高涨，以为打鬼子就像郊游一样轻松愉快，说什么队伍中每个人杀敌要超过刘小凯（刘的纪录已经是一百六十多鬼子），整个队伍要比抗五军更有名气。但真正打了仗，特别是受到一点挫折，就失去了信心和恒心。这些年青人对战争的残酷事实不了解，对困难没有认识，又没有艰苦奋斗的各种准备，所以这个时候早把雄心壮志扔到东海去了。
多伦保卫战开始时，冯大帅领导的抗日军队共有四万六千左右官兵，其中抗日同盟军约三万八千人，抗四军八千多部队。在这一战之后，抗四军只剩下四千多人（在前几天的阵地占中就伤亡了近二千），而其它部队就更惨。抗日同盟军从战前的三万八千人，除了孙殿英八千部队撤走，只剩下六千多人，其中有四千多还是原二十九军的部队。其余的人，有牺牲的，也有被俘虏的，而打散后逃走不干的有一万来人。这个结果，还是抗五军这么快赶到才有的，如果再让日军追打一天的话，我军的牺牲还会更大。
日军其实也是强弩之末了。他们带的弹药也已用光，补充的弹药落到抗五军手里了。不过在城市巷战中，他们集中防守住几条马路，抗五军暂时还过不去，只是用狙击手与他们对打。
抗日同盟军的人马只打了这一仗，就从三万多一下子只剩下一万多，其中最大部分的孙殿英部还溜了，不干了。二十九军的士兵也宣布，由于他们的老部队就要回来了，所以，他们也要回归二十九军。这样，曾经号称“八万”之众的抗日同盟军只剩下三千来人了！这让冯大帅非常失望，他痛骂了手下一通，特别骂了首先被击破阵地、逃走的孙殿英，说他是“汤玉麟第二”，然后把剩下的二、三千人交给了佟麟阁（这也不够二十九军在战斗中损失的人数），自己跑回泰山去了。
从人数上看，在多伦的抗五军比日军少得多，就算是第二天，另一个抗五军的师到达了，也才二万人，而日军收拢部队后有三万多人。抗四军等新败部队，还在集中和整编中，用不太上。
不过多伦市里的日军给养没有了，从与抗五军的对打中就明显能感觉到。于是，人数多的日军不敢对抗五军进行反击，但抗五军也因为日军部队这么多，也不好攻击，双方就这么在多伦市中对峙起来。反正第二十九军正在移交河北防地、返回察哈尔；而情报表明，日军还没什么派部队来多伦的迹象，所以，拖下去对我军是有利的。在热河的其他抗五军没有向多伦增援，而是根据总部指示，做好了阻击敌人增援部队的打算。
这样又打了两天后，多伦的日军弹药紧张的迹象更加明显了：他们根本不能用机枪了，手榴弹也极少用了，子弹都给狙击手用。
抗五军就利用夜色，在夜里发起进攻，日军狙击手在夜里，稍微远一点是看不到的，而且他们最早的一批枪法好的狙击手，这时也已经被我军消耗得差不多了。冲到日军的防地，他们士兵的步枪都很少有子弹了，只能用刺刀，想来肉博。可刺刀是打不过驳壳枪的，更别说抗五军的夜战、巷战水平都比鬼子高，一个夜里把日军的阵线压后了几条街。
没有弹药，日军就难以支撑了，靠地面运来，抗五军在沿途都有小股部队阻击和骚扰，公路也被破坏了好多处。就算没有这些阻击，这么远的路，也至少得几天。
多伦这儿日军等不及了，谁让他们在弹药不足的情况下还敢发动攻击？第二天上午，日军的飞机来了十五架，但不是来轰炸，而是来投放补给的。抗五军不知道它们来干什么，看见飞机飞得低了就射击。敌机先在较高空扔了一点空投物资，但风速没掌握好，基本上都飘到抗五军这儿来了。于是，日军第二次降低了高度，这次投的多半到了城西，日军的阵地，但日军的飞机被打下两架。抗五军看到敌机不是来轰炸的，心理上就更加放松，打得更准。日军作了第三次投放，在比较高空，但这次的投放比较准确，只有四分之一的物资飘到了我军阵地。不过这也是敌机最后一次投放了。
从我军捡到的东西看，敌人投放的主要就是弹药。这个时空的日军飞机，携带东西的能力比较小，对于三万多人的部队，这点弹药只能算是打个底，离吃饱还远得很。
敌人得到了弹药，我军白天只是与他们打骚扰战，希望能够消耗他们的弹药，也防止他们反攻。到了夜里，我军又进行了攻击，但不是大规模的，只是在几个点试探。如果敌人防守得严密的，退回来；敌人的防守差的，让我们冲上去了，就再多过去些人，把它守住。到下半夜，战斗就基本停止，抗五军也休息一下，巩固一下新打下的阵地。
第二天上午，抗五军还要打骚扰战，外围的一个侦察队发来情报，说在多伦的北面有日军大部队，估计有三万来人，正在向东行军。这是怎么会事？难道日军有援军从北而来？这么大的一支部队不可能没声没息的突然出现。难道日军以前就在这儿打了埋伏而我军没发现，另一种可能是日军准备放弃多伦，昨天夜里大部队已经撤出多伦，现在阵线的对面只是少量阻击部队？
傅保国命令队伍找一个敌人阵地试着强攻一下，果然，这个阵地一强攻就被击破，而且后面似乎没有第二道防线，也没什么预备队来堵上。
日军怎么能放弃刚刚打下的城市，溜了呢？这与日军以前的作风不一样了。
原来日军得到情报，二十九军的大部队已经过了张家口，这些部队再到达，日军就会被包围了。
另外，日军也总结了经验：如果后方不稳定，想要长期占领像多伦这样后勤补给线长的城市，代价将是很高的。所以，他们也是乘夜色的掩护，留下二千人的部队，其余的撤离了多伦。
不过抗五军也没有放过逃跑的日军，前面有散在各地的小股武装阻击、骚扰，后面有抗五军的大部队追击。日军的空军不断派飞机来帮他们侦察周围环境，并袭击我追击部队；加上敌人有二万人，他们虽然走得不快，但抗五军也没力量把他们包围、吃掉。而且，他们的行军路线也很多变。抗五军以为他们会回到赤峰、承德或朝阳方向去，开始日军也确实有点往这个方向走的样子，于是，抗五军就派部队往日军的南面去，想阻击他们。但没想到日军也虚晃一枪，竟然在赤峰的北面快速向东，往开鲁去，在开鲁的敌军接应下，经开鲁进入黑龙江，绕道回去了。
留在多伦的二千多敌军中，有八百来人是伪军，他们在这个环境，只要在带队的日军看不到时，就大喊要投降，就出来投降我军，甚至有打死监督他们的日军后，再来投降的。日军干脆放弃了伪军，自己组成了几股。
虽然才一千三百来日军，也确实不好打。他们在城市中被分割包围了，但仍负隅顽抗，要打死他们，自己付出的代价肯定也不小。所以，抗五军留下一个大队，和抗四军一起对他们采用“围困”战术。果然，在三天后，这些人没有吃的了，就在晚上突然向外突围。一千三百人被消灭了七百多，剩下的还真的让他们分散逃出多伦。不过在路上，他们又遇到一些打击，最终还是有四百来鬼子逃回到承德或开鲁。
对这一次多伦战役，日军当然是大吹大擂，说他们随时可以攻下抗日义勇军“乌合之众”防守的城市，这次他们就以一个师团的兵力，打下了林西和多伦，把“八万之众”的多伦守卫部队给消灭了，然后，主动放弃多伦，安全撤回。这一仗，日军说他们消灭反日的土匪共八万多人，自己只损失一千多。
而抗日义勇军方面也说这是我军的大胜仗，宣布说我军消灭日军共五千多，自己牺牲三千多。而日军刚刚进入多伦就被我军赶走，谈不上被日军占领。
不过，实际上比较准确的数字，日军被消灭大概是三千，受伤的有九千多，我军牺牲应该在五千人左右，受伤的有一万几千人。其中有一半人是抗五军到了后消灭的。