与此同时，完颜永济也收到胡沙虎的军报，他以为是蒙古大军主力进攻大同府，不敢怠慢，急令完颜九斤为主帅，完颜纲为副帅，率领女真骑兵中路军十万骑兵、东路军三万骑兵、中都大兴府兵七万步兵，共计二十万人马驰援胡沙虎。
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蒙古大军围困大同府十天后，城内金兵已经十分疲惫。城南、城西也陆续有零星金兵前来增援，都被术赤所部骑兵杀散了。
这时哈萨尔收到女真骑兵中路军十万人马准备增援大同府的军情，觉得这样围困下去不是办法，于是命令全军强攻大同府。采用的战术还是成吉思汗“倒土跑马上城”的方式。
九月二十五日凌晨，哈萨尔下达了强攻大同府的命令。木华黎指挥六万步兵到大同府郊外掘土装包，带都剌沙合尔刚指挥三万步兵驱赶牛马将土包运至大同府城下，术赤则指挥骑兵向大同府城墙的金兵放箭以掩护步兵堆放土包。
胡沙虎知道蒙古大军一旦把土包堆到城墙上，那城墙也就算被攻破了，于是他疯狂的命令士兵朝城墙下面放箭、扔石块。很多蒙古步兵被砸死、砸伤，但还是继续搬运土包。
此时的女真骑兵西路军已经运动到大同府城南一百里处。特末也派出他的侍卫长挑选一百名武艺高强的骑兵来到大同府城南的一条入城秘道，他们从秘道进入大同府找到胡沙虎，告诉胡沙虎如果抵不住了就从秘道往外撤，特末也将军在城南百里处等他。
到了黄昏时分，胡沙虎眼见蒙古大军就要把土包堆到城墙上了，胡沙虎大喊道，快射！射死这些蒙古人，他们如果攻上来，我们全部都会被杀死的。
胡沙虎喊完后，悄悄往后撤，在特末也派来的一百名骑兵的掩护下，经过秘道撤到了城外，然后向南逃去。
哈萨尔见土包已经堆到城墙上了，就对术赤说，可以率领你的一万骑兵冲上城了。
于是术赤拔出佩刀，命令他的所部骑兵，给我冲！
一万蒙古骑兵赶紧上马往城墙上冲。
术赤也跟着冲上城。
紧接着哈萨尔、木华黎率领六万步兵，带都剌沙合尔刚率领三万步兵，先后也攻上城墙。
守城士兵见主帅都不见了，也是军心大乱，纷纷丢盔弃甲的逃跑。
战斗结束后，大同府城墙上已是血流成河，经打扫战场，清点伤亡，十万金兵留下两万多具尸体，加上之前被蒙古骑兵射死的，估计约有三万金兵战死，有两万多金兵投降，还有四万多金兵逃的不知去向。但蒙古大军也有一万多后勤步兵和几千攻城步兵战死。
哈萨尔把投降士兵全部编入蒙古步兵，汉人籍的编入攻城步兵，契丹籍的编入后勤步兵。
军队重编后，哈萨尔命令全军一边休整，一边布防，准备抵御前来增援西京大同府的金兵。
而完颜九斤率领二十万人马才行至宣德府，就收到西京大同府破城的军情，同时又收到攻破大同府的只是蒙古大军一支偏师、而成吉思汗准备率主力从北方进攻金国中都的军情，于是停止前进，派快马回中都请旨。完颜永济也收到了这两条重大军情，只得命令完颜九斤就地休整练兵。