在此困境下，城中守军个团各营各排即使相互之间被冲断联系，仍在街巷中自组织起来迎战逆袭，与日军反复拉锯相持，坚守不退，并将侵入北门的步兵第52旅团逐出。
赤鹿理中将见部队攻势迟滞，心急如焚，不顾可能造成攻城部队困难，召集第3航空师团主力空援，在桂林城中四处滥投燃烧弹，桂林城中处处大火，大半房舍均在烈焰之中，惨不忍睹。
在大举空袭之后，第4o师团认为城中守军即使阵地仍在，也必然被这种规模的滥炸吓掉守城意志，于是乘机全力突进，却再次遭到第198师重创，守城部队以机枪击落日机一架，当头的步兵第第1大队大队长也被击毙。一部份日军并突入城垣，营长甘若丹见防线被突破，立即果敢率部向城垣冲锋，用剌刀将日军逐出城垣，恢复阵地。甘营长则在白刃战中壮烈殉职。
第198师稳住脚步后，继续拒险痛击来敌。敌再调步兵第第234联队立下贯澈”武士道”的坚决誓言后，全联队向第198师疯狂猛扑，一路怪喊乱叫。守军前线指挥官不慌不忙，待日军逼近时突然扬火力，攻城的日军立刻在机枪与迫击炮的打击中大片倒下，带头的第3大队大队长葛野立也被打死，敢死队死伤枕藉，再度仓惶溃退，连对着天照大神立下的武士的庄严誓词也全然不顾。
桂林城破之后，刘建业一直率领守军官兵在城内苦苦支撑，目的就是要坚持到援军的到来。可是，一封封求援的电报出去，每次收到的电报都是让他再坚持死守。
因为受到守军坚决抵抗而迟迟不能攻占桂林的赤鹿理中将恼羞成怒，为了生存而反呈困兽犹斗之势。赤鹿理中将展开全部力量近4个师团攻城，连原先一直掌握在手里的预备队也全部投入战场。守军部队逐屋逐巷，艰苦抵抗。赤鹿理大怒，下令集结各式轻重火炮逐区分段将桂林城完全轰毁。赤鹿理中将嫌火炮效率太慢，竟然亲自至火线观察，下令炮兵冒险推进至第一线，隐藏于破损的民房中，实行零距离射击，并召集空中支援大肆狂炸，桂林又一次被日机炸成一片火海。
城西方向上日军在空袭后集结一个大队冲锋，在十余辆战车支援下猛攻两路口阵地。守军一个排坚持不退半步。于是，日军又集中炮火先将两路口所有民房轰为灰烬，又将守军的后路彻底破坏，但这个排还是巍然不动。
日军于是又想出另外的“高招”，仿效我国春秋战国时代齐国大将田单用火牛阵破燕兵的办法，白天将桂林城附近农民的耕牛抢来，晚上用军毡将耕牛的眼睛蒙上，几十头牛一字排开，点燃牛尾巴上的引火物，耕牛被火烧痛，不顾一切的往前冲，日军便跟在牛后面一拥而上。但由于耕牛体积大，很快便被守军击毙，日军的攻击只好再次流产。但这个排前后都没有了隐蔽物和依托点，最后战死到仅剩8人，排长殷惠仁在日军迫近时引爆最后一枚手榴弹，与敌寇同归于尽。
在桂林城东门进攻的日军以密集队形，以木梯强行攀爬城墙，前仆后继，有如“人海战术”。攻入城中的日军在街巷中被守军的交织火网与果敢逆袭大量杀伤，尸体拥塞巷中，妨碍进攻，日军的后续部队只好乘夜间突入，抢收尸体，清出道路。赤鹿理中将气急败坏，乃大量施放催泪弹与窒息性毒气，并严令空援日机不得躲避地面火网，进行低空轰炸。巷战中的日军也奉命大肆渗透纵火，全然不顾可能危及到自身的进攻部队。此刻城内战况惨绝人寰，火海毒雾，如同炼狱。
12月15日，城中守军各师官兵损伤殆尽。为了能够继续坚持抵抗，刘建业下令将城内炮工辎部队，政工，司令部幕僚及所有官佐杂役编队，桂林警察亦编入部队，由特务团副团长杨舟中校率领，投入战斗奋勇冲杀。所有各师师部残存官佐，自副师长以下均亲率部队，于巷弄中反复冲杀。桂林街上尸积如山，日军亦为惨重损失震慑。此时，**弹药己罄，炮兵将所有火炮拆毁埋藏，拿起步枪开始充作步兵使用。官兵们为了补充武器的损耗，开始搜寻民间武器，持刀刃长矛与敌周旋，伤亡愈加惨重。
12月16日，程序和城南方向两路口，猴山隘，中心山，阳家山，将军山等处守军虽经坚决抵抗，终因弹尽粮绝，阵地被敌攻占。盐街、桂东路、东华门、桂花街、法政街、十字街已被敌人占领，观音阁、虞山庙、新码头、北门、西门、火车南站，德智中学各据点均已落入敌手。日军正以南北夹击合围之势，迫近我3洞山、宝积山、铁封山、独秀峰最后核心阵地，也就是城防司令部。城内守军所能控制、挪动的空间只剩下了不足三公里的地方，司令部所能直接控制的部队只剩下五六千人了。
刘建业在司令部里向重庆军事委员会出电文：“弹尽人亡，城已破，友军观望不前。大街小巷混战成一团。部队官兵每一秒钟都在流血，每一分钟都有死亡；诸君为国效命，此其时也。职率各师长，指挥官，师附，政治部主任，参谋长等固守最后阵地，各团长划分区域，扼守一屋，作最后抵抗，誓死为止，并祝胜利。国民革命军万岁，委员长万岁，中