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5月12日，日军又出动步兵2000余人分乘70余辆战车并携带数十门大炮，气势汹汹、杀气腾腾再度向洛阳七里河、兴隆寨、瞿家屯阵地发起进攻。第64师守军一部以手榴弹大量杀伤敌人，并多次进行白刃格斗。战斗一直持续整整一天，敌一部由兴隆寨与瞿家屯之间突入兰隆寨村边，切断了前沿阵地与主阵地之间的联络，兴隆寨被敌团团包围。13日拂晓，该阵地终因弹尽粮绝而沦入敌手，守卫该地的第9连官兵全部殉国。
13日，负责防守邙山南麓的64师和负责防守邙山北麓的65师，利用邙岭的梯田斜坡、悬崖壕沟及各村民房做掩体，用混凝土和砖石修筑隐蔽火力点，以散兵壕和交通沟把各个火力点连接起来。在火力点外围挖防坦克壕，在防坦克壕附近埋设地雷。这两个师凭借这些半永久性工事迎击敌人，坚守邙岭，与敌逐村逐地进行争夺，多次进行白刃格斗。
在洛阳后洞阵地，194团2连连长韩昆生擒日军大队长藤下，日本兵蜂拥来抢。韩昆急忙刺死藤下，自己也倒在日本兵的刺刀之下。副连长贾乐民见状大吼一声，抱着八枚手榴弹冲入敌群，与50多名日军同归于尽。
在连续三天三夜的激烈战斗中，日军一次又一次扑入我方阵地，又被守军一次又一次强硬逐出，反复争夺达十数次，毙伤日军两千多人，竟然打出了洛阳保卫战中少有的一个绝地反击小高潮。
22日，日军新调坦克第3师团、骑兵第4旅团、第五航空军数倍于国军的兵力，并利用百余辆战车、数十门火炮、数十架轰炸机一道形成“菊兵团”的强大阵容猛攻洛阳。
值此危急时刻，一架显示有国军标识的直升飞机向武麟的指挥部里空投了一封由蒋介石亲自签发的特别级手令：“着仍固守洛阳，勿轻信谣言，至迟一星期，我必负责督陆空军增援洛阳。”武麟据此命令再度随之调整部署：除东、西火车站各留一股部队执行特别任务外，其余各部尽皆撤入城内，与94师合力守卫城厢要地。
23日拂晓，敌军以3万多兵力集中力量进攻西门，并通过传单、高音喇叭劝武麟投降：
“……皇军自入中国以来，所向无敌，攻城没有超过一周而不下者。今将军及将士坚守洛阳十日有余，尽到了守土之责……而今洛阳外围，百里之内已无中国军队，援军无望，坐以待毙，实属不智。一为将军计，二为防止洛阳古迹毁于战火，切望守军停止做无益之抵抗，以停战归顺为上策！如果从命，自将军以下，各级官佐一律不动，薪饷照发。今限24小时内答复。如不从命，皇军已准备就绪，攻城旦夕可破，到那时玉石俱焚，悔之晚矣！”