躲在屋内的日军也不回话，先是在窗口挂起一面白旗，待我军将士靠近时，突然通过窗口小孔施放毒气，并进行射击，一名排长被射*，多名士兵受伤。令狐理怒不可遏，大骂日寇：“这帮畜生！简直给脸不要脸，给老子放火！”
令狐理征得副师长王雷震的同意后，命令二连的弟兄们立刻从日伪军尸体上扒下棉衣蘸上汽油绑在爆破杆、手榴弹上，扔进通俗馆内。通俗馆里很快响起了爆炸声、燃起了大火，负隅顽抗的日军被烧得鬼哭狼嚎。
屋内的部分日军忍受不了被火烧的痛苦，争先恐后跑向门窗，想打开门窗投降活命，结果却被屋内其他日军从背后枪*。大火烧了整整10分钟，屋内鬼子的惨叫声渐渐消失，打扫战场的时候，国军从这个屋子拖出了10个烧得半焦的鬼子尸体，死亡人数无法确定，因为大多都烧成了灰烬。通俗馆据点被攻占的同时，屯垦办事处据点也被攻占。由此，五原城内之敌全部被歼灭。
后续战斗：此时，乌加河桥日军援军大部队已经渡河，傅作义命令全军撤退，并令第101师边打边撤，引诱日军入城。日军不知有诈，大军涌入五原城，看到的都是日伪军遍地的尸体和断壁残垣，没有一个活着的日本人。
傅作义命令新编第6师炸毁乌加河大堤，放水灌城，汹涌的大水将五原城变成一片泽国，城内的日军见势不妙，慌忙向包头狼狈逃窜。傅作义令第101师、新编第6师一路追击，将日军赶出了五原城。在这里简单提一下，五原城日伪守军在战斗中的表现：
伪蒙古部队还愿和日本人一起抵抗，而汉人系的伪军则大都反戈一击。桑原中佐率领96人（特务机关和工兵26人、警察30人、伪蒙军40人）死守到22日被全歼（桑原本人在21日下午战死）。
日军警察部队的头领水川伊夫是一名文官，没有打算死战，21日下午带着130多名日本人逃离，遭到了守在外围的骑兵追击，被*死*伤不少。
当时傅作义部游击区第一支支队第二团第1连的连长张汉三率部驻守在高台梁附近。五原大战前夕，团长乔占海等人秘密投靠了日军。张汉三不愿意当汉奸，率部到处袭击驻五原的鬼子和汉奸，水川伊夫逃至义坑补隆村时，已经只剩余10几个人，他们以为已经逃出生天，就在村子附近生火做饭，义坑补隆村的村民将消息告知张汉三。张汉三设计将水川伊夫引入埋伏圈消灭。
其他逃亡的日军，有的慌不择路逃入村子，遭到村民们的偷袭，死在镰刀锄头之下的也不在少数。
五原战役以国军的胜利结束！
