此時運河前沿陣地之上的守軍已無統一指揮，前沿陣地軍官帶著預備隊被後方爆炸牽制，一時難以支援，守軍不斷後撤，
城郊外村落民房據點、野戰堡壘被北伐軍逐一攻克，殘餘的守軍無力抵抗，全部放棄外圍陣地，退入德州城內死守。
與此同時，第一軍團先頭部隊在李雲龍的率領下，沿著津浦鐵路西側不斷向北推進，至5月11日，李雲龍率領部隊連克禹州、高唐之間的多處村鎮，擊潰至魯軍地方守備隊與殘兵，逐步向平原縣以南區域推進。
時至5月13日拂曉，清晨6時，天色微明，德州城南城牆之外，孫良成集中全軍重炮、山野炮共32門，對準德州城南城牆薄弱部位集中展開轟擊。
第二集團軍的炮手不如陳城麾下炮手專業，連續轟擊了數百發炮彈，才有不到十分之一的炮彈轟擊於城牆一處，城牆瞬間出現缺口，防禦體系崩潰。
缺口出現的瞬間，孫良成便命令突擊部隊衝鋒，炮火開始向城牆之上轟擊，壓制敵軍火力。
突擊部隊很快便衝到城下，主力部隊緊隨其後，守軍大多為剛剛從濟南城撤出來的潰兵，眼見城牆出現缺口，頓時軍心潰散，紛紛逃離崗位，向後奔逃。
北伐軍很快便突入城內，開始了巷戰，逐屋逐街的清剿，守軍大部分直接放棄抵抗、跪地投降，只有少部分奉軍嫡系部隊依託民房、縣衙工事抵抗，不過終究是以寡敵眾。
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與此同時，李雲龍帶著第一軍團也沒閒著。
「報，報告軍團長，前方平原縣城內發現敵軍千餘人，是否出擊?」
「什麼縣城?」
「報告，是平原縣城。」
「把地圖拿過來。」
地圖很快便被拿到了李雲龍面前，李雲龍盯著地圖看了一會兒，隨即開始下令。
「命令部隊立刻發起進攻，令第41團蔡西盛部從平原縣城正面南門強攻，沿此官道直撲過去。
命令第40團鄭振全部向東迂迴至平原縣城東門，搶占東門大橋，切斷守軍的方向，守軍兵力早已見底，命令第14師山炮營跟隨41團行動，狠狠地轟！」
「是，軍團長。」
平原縣城是德州守軍退往魯東的必經門戶，但是此時只有直魯聯軍一個地方守備團以及一個保安隊共約1100餘人防守，城防工事殘破，僅南門外有一道簡易的土壕和兩座碉堡，
重火力武器更是只有三挺重機槍，其餘武器都被抽調到了運河防線，拂曉時分守城士兵聽到德州方向的炮聲震天，連綿不絕，深知主戰場已經遭受總攻，軍心更加動搖。
等到第14師山炮營4門山炮陳列於南門之外時，更是人心惶惶。
李雲龍一聲令下，山炮開始轟炸，短短不到10分鐘，平原縣城南門便被轟開了，第14師士兵隨即發起衝鋒，不到20分鐘，第41團便登上了南門城頭，守軍被一步步朝城內壓縮。
「快，快，向北門撤退，向北門撤退。」
守備團團長大聲呼號，準備率領部隊從北門後撤，等到潰兵剛剛出北門時，正好撞上迂迴而來的第40團，隨即爆發出激烈的戰鬥，困獸猶鬥，
北伐軍的火力更優，戰鬥之心更盛，因此不到短短半個小時，戰鬥便已經結束，其餘部隊開始打掃戰場，李雲龍命令留下42團的一個營作為守備，其餘人繼續沿著津浦鐵路向北搜索前進。
至當日下午15時，第14師主力推進至平原縣城以北的二十里舖、甜水鋪一線，李雲龍察覺到德州方向槍聲漸熄，當即命令部隊就地構筑前沿警戒陣地，派出偵察哨向德平方向前伸。
德州城破之後，直魯聯軍以及奉軍殘部本是向北倉皇逃竄，誰知逃著逃著便聽到平原縣城方向的槍炮聲。
「軍座，平原方向傳來槍聲，恐怕現在已經凶多吉少了啊！」
「真是屋漏偏逢連夜雨啊，命令部隊即刻停止前進，不要再向東突圍了，向滄州的方向撤！」
「是，軍座。」
敵軍向滄州方向潰逃的消息很快便傳入了第14師師長衛立皇的耳中，衛立皇當即找到李雲龍。
「軍團長，敵軍並未向我們這個方向潰逃，而是沿著津浦鐵路向滄州逃了，我部是否立刻出兵追擊?」
「不必，我第一軍團的任務是沿著右翼和孫良成部主力平行推進，保障主攻兵團的右翼安全，同時作為總預備隊，明白嗎？」
「明白，軍團長，只是如此好的機會……到嘴的肥肉啊，軍團長您真的不想……」
「害，肥肉再好，吃多了也膩，況且你覺得孫良成不會派兵追擊嗎？德州不是我們打下來的，還是不要摻和一腳的好，人性本就貪婪，得了千錢想萬錢，成了皇帝想成仙，到手的功勞，你說人家會願意分給咱們嗎，給你你會嗎？」
「會，軍團長，要是俺的話，功勞都給您都沒問題。」
「衛立皇啊衛立皇，你的路走寬了。」
「多謝軍團長提攜，卑職定當赴湯蹈火，在所不辭。」
「嗯，命令部隊繼續向陵縣、寧津一帶掃蕩，肅清主力兵團側翼殘兵，保障其安全。」
「是，軍團長。」
與此同時，德州戰場也已打掃完畢。
「報告總指揮，戰果已統計完畢，請指示。」
「念！」
「是，此戰我軍共殲滅直魯聯軍、奉軍合計約4000餘人，俘虜3800餘人，另有萬餘殘兵在逃，此戰我軍共繳獲山野炮18門，重機槍30餘挺，步槍4000餘支以及大量的糧草輜重，匯報完畢。」
「哦，殘兵向哪裡逃了？」
「報告總指揮，正向滄州方向逃竄。」
「右翼第一集團軍李雲龍的第一軍團有什麼動作沒有?」
「報告總指揮，似乎沒有，友軍並未派兵追擊敵軍殘部。」
「嗯，有意思，白撿的功勞不要，算是個明白人，不愧是黃埔龍首啊，命令以騎兵師為先鋒，沿著津浦鐵路兩側向北追擊潰兵，不要給張宗唱收攏部隊、重建防線的機會。」
「是，總指揮。」