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接到指挥部的命令，几百名铁路纠察队员兵分两路，一路前往天通庵车站南段破坏铁路，一路奔赴天通庵车站西侧进行埋伏。
铁路工人破坏铁路自然是手到擒来，不一会那一段路轨上的铆钉就全被拔掉了。下午五点，当铁棚车进入伏击圈时，毫不意外地出轨翻了车。
车上的鲁军被搞懵了，好半天才明白出了事故，此时列车的车门反锁紧闭，打不开来，士兵们只得顺着窗口一个个爬了出来。
纠察队虽然早就埋伏好并向敌人射击，但毕竟缺乏作战经验，没有冲上去将对方一举歼灭的能力。之后，下车的敌人越来越多，如果他们能够组织起来立即实施反击，纠察队是顶不住的。幸亏这批人不知虚实，又兵无斗志，而且天也黑了下来，最后他们只是采取退守策略，缩到天通阉车站去了。
入夜，敌人趁天色昏黑，企图突围，战斗骤然激烈起来。针对这一情况，周恩来、赵世炎协商一致，决定在对北站取守势，对东方图书馆继续进行包围的前提下，集中兵力先进攻通天庵车站。
随着纠察队的援兵源源不断地到来，天道庵的敌人成功突围的可能性越来越小。半夜后，趁着其火力减弱，纠察队喊话让他们放下武器，谁料对方不但不听，还将喊话的队员给打伤了。
纠察队员十分愤怒，双方再次进入激战状态。战斗一度打得难分难解，令观者心惊。共青团中央机关当时就设在天通庵车站附近，团中央组织部长兼代理书记萧三与其夫人住在机关在内，两人听了一夜的枪声，也为此紧张了一夜。
听到天通庵方面打得热闹，被围困于东方图书馆、北站的敌人也动起了歪念头，不时组织反击和突围。北站的月台前轨道上有一列白俄雇佣军所开的装甲车，这些雇拥军懂军事会打仗，他们用安装在装甲车的迫击炮向纠察队阵地发射炮弹，对纠察队进行了火力压制。
纠察队受到压制事小，重要的是附近的民房也被击中起火了。火借风势，风助火威，一场大火很快蔓延开来，周恩来、赵世炎急忙组织人员救火和帮助居民抢运物资。
当闸北燃起大火时，夏之栩正随罗亦农在离指挥部不远的联络站里等候消息，她从窗口往外看去，只见满天红光，一时很为丈夫和其它人担心。罗亦农虽然神情也很紧张，但见夏之栩着急的样子，忙反过来安慰她说：“那里有群众，什么也不用怕，大火是可以扑灭的！”
夏之栩实在放心不下，还是想溜到前面去看看。她刚走到胡同里，就碰上了前线联络员，联络员阻止夏之栩出去，因为前面有流弹伤人。接着，他又向罗亦农报告，说指挥部没有危险，大家听了这才都安下心来。
在北站前沿，纠察队为了先救火，不得不后撤一段距离，敌人乘机发起反击，将他们逼出了防御工事。
千钧一发之际，周恩来率一支突击队冲了上去。
事先特别军委在制定作战计划时，曾估计了几种可能出现的情况，对每种情况出现后，以何种方法进行解决，也都有所准备，像闸北这样的重点作战区，甚至还制定了两种作战方案备选。这些在意外情况真的发生时，都显现了其难以替代的作用和价值。
突击队上去后，会同前线部队一同实施反冲锋，枪声此起彼伏，有几个时段甚至密得跟放爆竹差不多。这一期间，中共中央总书记陈独秀虽然人不在前方，但江浙区委不时会把重要战报送至他所在的中央宣传部，陈独秀看完有时也会通过写纸条的方式给予指示。
在前线战斗打到最激烈的时候，陈独秀派主管宣传的彭述之去实地了解战况。彭述之看到纠察队久攻不下，提出了“能否坚持下去”的疑问，陈独秀听了他的意见，便派人送纸条给罗亦农，让纠察队停止战斗，向大场方向撤退，以避免牺牲。
罗亦农是个很有魄力和胆量的领导人，虽然陈独秀那个时候在党内的权威非常高，许多具体问题都由他说了算，但罗亦农并没有执行关于撤退的指示，周恩来、赵世炎也继续指挥人马向敌人发起猛攻。经过一番苦战，纠察队终于将防御工事重新夺回，在他们的火力掩护下，居民区的大火也被扑灭了。
战至黎明，纠察队逐渐稳住阵脚，而鲁军却越来越吃不消了。被围困在天通庵车站的敌人一昼夜没有吃饭睡觉，在饥寒交迫的情况下无心再战，他们中除一部分爬过铁丝网逃往租界，被日本水兵收容外，其余都挂起白布，向纠察队缴械投降。
占领天通庵车站，使纠察队消除了腹背受敌的危险，同时相应战斗人员以及缴获到的武器弹药也被用于支持其余两个战场，从而极大增强了围攻部队的战斗力和士气。