多倫外面的日軍紛紛撤退回多倫市區的西部，讓抗四軍和抗日同盟軍的官兵鬆了一口氣，他們利用這個機會，脫離了日軍的追擊。抗四軍和原來二十九軍的士兵還好，沒被打死打傷的，多數還慢慢聚集回來，而其它部隊的官兵，這一潰散後，有的就一直跑回家去了。
有些來抗日的年青人只是憑一時之氣，熱情高漲，以為打鬼子就像郊遊一樣輕鬆愉快，說什麼隊伍中每個人殺敵要超過劉小凱（劉的紀錄已經是一百六十多鬼子），整個隊伍要比抗五軍更有名氣。但真正打了仗，特別是受到一點挫折，就失去了信心和恆心。這些年青人對戰爭的殘酷事實不瞭解，對困難沒有認識，又沒有艱苦奮鬥的各種準備，所以這個時候早把雄心壯志扔到東海去了。
多倫保衛戰開始時，馮大帥領導的抗日軍隊共有四萬六千左右官兵，其中抗日同盟軍約三萬八千人，抗四軍八千多部隊。在這一戰之後，抗四軍只剩下四千多人（在前幾天的陣地占中就傷亡了近二千），而其它部隊就更慘。抗日同盟軍從戰前的三萬八千人，除了孫殿英八千部隊撤走，只剩下六千多人，其中有四千多還是原二十九軍的部隊。其餘的人，有犧牲的，也有被俘虜的，而打散後逃走不幹的有一萬來人。這個結果，還是抗五軍這麼快趕到才有的，如果再讓日軍追打一天的話，我軍的犧牲還會更大。
日軍其實也是強弩之末了。他們帶的彈藥也已用光，補充的彈藥落到抗五軍手裡了。不過在城市巷戰中，他們集中防守住幾條馬路，抗五軍暫時還過不去，只是用狙擊手與他們對打。
抗日同盟軍的人馬只打了這一仗，就從三萬多一下子只剩下一萬多，其中最大部分的孫殿英部還溜了，不幹了。二十九軍的士兵也宣佈，由於他們的老部隊就要回來了，所以，他們也要回歸二十九軍。這樣，曾經號稱「八萬」之眾的抗日同盟軍只剩下三千來人了！這讓馮大帥非常失望，他痛罵了手下一通，特別罵了首先被擊破陣地、逃走的孫殿英，說他是「湯玉麟第二」，然後把剩下的二、三千人交給了佟麟閣（這也不夠二十九軍在戰鬥中損失的人數），自己跑回泰山去了。
從人數上看，在多倫的抗五軍比日軍少得多，就算是第二天，另一個抗五軍的師到達了，也才二萬人，而日軍收攏部隊後有三萬多人。抗四軍等新敗部隊，還在集中和整編中，用不太上。
不過多倫市裡的日軍給養沒有了，從與抗五軍的對打中就明顯能感覺到。於是，人數多的日軍不敢對抗五軍進行反擊，但抗五軍也因為日軍部隊這麼多，也不好攻擊，雙方就這麼在多倫市中對峙起來。反正第二十九軍正在移交河北防地、返回察哈爾；而情報表明，日軍還沒什麼派部隊來多倫的跡象，所以，拖下去對我軍是有利的。在熱河的其他抗五軍沒有向多倫增援，而是根據總部指示，做好了阻擊敵人增援部隊的打算。
這樣又打了兩天後，多倫的日軍彈藥緊張的跡象更加明顯了他們根本不能用機槍了，手榴彈也極少用了，子彈都給狙擊手用。
抗五軍就利用夜色，在夜裡發起進攻，日軍狙擊手在夜裡，稍微遠一點是看不到的，而且他們最早的一批槍法好的狙擊手，這時也已經被我軍消耗得差不多了。衝到日軍的防地，他們士兵的步槍都很少有子彈了，只能用刺刀，想來肉博。可刺刀是打不過駁殼槍的，更別說抗五軍的夜戰、巷戰水平都比鬼子高，一個夜裡把日軍的陣線壓後了幾條街。
沒有彈藥，日軍就難以支撐了，靠地面運來，抗五軍在沿途都有小股部隊阻擊和騷擾，公路也被破壞了好多處。就算沒有這些阻擊，這麼遠的路，也至少得幾天。
多倫這兒日軍等不及了，誰讓他們在彈藥不足的情況下還敢發動攻擊？第二天上午，日軍的飛機來了十五架，但不是來轟炸，而是來投放補給的。抗五軍不知道它們來幹什麼，看見飛機飛得低了就射擊。敵機先在較高空扔了一點空投物資，但風速沒掌握好，基本上都飄到抗五軍這兒來了。於是，日軍第二次降低了高度，這次投的多半到了城西，日軍的陣地，但日軍的飛機被打下兩架。抗五軍看到敵機不是來轟炸的，心理上就更加放鬆，打得更準。日軍作了第三次投放，在比較高空，但這次的投放比較準確，只有四分之一的物資飄到了我軍陣地。不過這也是敵機最後一次投放了。
從我軍撿到的東西看，敵人投放的主要就是彈藥。這個時空的日軍飛機，攜帶東西的能力比較小，對於三萬多人的部隊，這點彈藥只能算是打個底，離吃飽還遠得很。
敵人得到了彈藥，我軍白天只是與他們打騷擾戰，希望能夠消耗他們的彈藥，也防止他們反攻。到了夜裡，我軍又進行了攻擊，但不是大規模的，只是在幾個點試探。如果敵人防守得嚴密的，退回來；敵人的防守差的，讓我們衝上去了，就再多過去些人，把它守住。到下半夜，戰鬥就基本停止，抗五軍也休息一下，鞏固一下新打下的陣地。
第二天上午，抗五軍還要打騷擾戰，外圍的一個偵察隊發來情報，說在多倫的北面有日軍大部隊，估計有三萬來人，正在向東行軍。這是怎麼會事？難道日軍有援軍從北而來？這麼大的一支部隊不可能沒聲沒息的突然出現。難道日軍以前就在這兒打了埋伏而我軍沒發現，另一種可能是日軍準備放棄多倫，昨天夜裡大部隊已經撤出多倫，現在陣線的對面只是少量阻擊部隊？
傅保國命令隊伍找一個敵人陣地試著強攻一下，果然，這個陣地一強攻就被擊破，而且後面似乎沒有第二道防線，也沒什麼預備隊來堵上。
日軍怎麼能放棄剛剛打下的城市，溜了呢？這與日軍以前的作風不一樣了。
原來日軍得到情報，二十九軍的大部隊已經過了張家口，這些部隊再到達，日軍就會被包圍了。
另外，日軍也總結了經驗如果後方不穩定，想要長期佔領像多倫這樣後勤補給線長的城市，代價將是很高的。所以，他們也是乘夜色的掩護，留下二千人的部隊，其餘的撤離了多倫。
不過抗五軍也沒有放過逃跑的日軍，前面有散在各地的小股武裝阻擊、騷擾，後面有抗五軍的大部隊追擊。日軍的空軍不斷派飛機來幫他們偵察周圍環境，並襲擊我追擊部隊；加上敵人有二萬人，他們雖然走得不快，但抗五軍也沒力量把他們包圍、吃掉。而且，他們的行軍路線也很多變。抗五軍以為他們會回到赤峰、承德或朝陽方向去，開始日軍也確實有點往這個方向走的樣子，於是，抗五軍就派部隊往日軍的南面去，想阻擊他們。但沒想到日軍也虛晃一槍，竟然在赤峰的北面快速向東，往開魯去，在開魯的敵軍接應下，經開魯進入黑龍江，繞道回去了。
留在多倫的二千多敵軍中，有八百來人是偽軍，他們在這個環境，只要在帶隊的日軍看不到時，就大喊要投降，就出來投降我軍，甚至有打死監督他們的日軍後，再來投降的。日軍乾脆放棄了偽軍，自己組成了幾股。
雖然才一千三百來日軍，也確實不好打。他們在城市中被分割包圍了，但仍負隅頑抗，要打死他們，自己付出的代價肯定也不小。所以，抗五軍留下一個大隊，和抗四軍一起對他們採用「圍困」戰術。果然，在三天後，這些人沒有吃的了，就在晚上突然向外突圍。一千三百人被消滅了七百多，剩下的還真的讓他們分散逃出多倫。不過在路上，他們又遇到一些打擊，最終還是有四百來鬼子逃回到承德或開魯。
對這一次多倫戰役，日軍當然是大吹大擂，說他們隨時可以攻下抗日義勇軍「烏合之眾」防守的城市，這次他們就以一個師團的兵力，打下了林西和多倫，把「八萬之眾」的多倫守衛部隊給消滅了，然後，主動放棄多倫，安全撤回。這一仗，日軍說他們消滅反日的土匪共八萬多人，自己只損失一千多。
而抗日義勇軍方面也說這是我軍的大勝仗，宣佈說我軍消滅日軍共五千多，自己犧牲三千多。而日軍剛剛進入多倫就被我軍趕走，談不上被日軍佔領。
不過，實際上比較準確的數字，日軍被消滅大概是三千，受傷的有九千多，我軍犧牲應該在五千人左右，受傷的有一萬幾千人。其中有一半人是抗五軍到了後消滅的。