三天以后共和军向徐州城发动进攻，在炮击结束后，共和军架起云梯开始攀爬城墙，清军坚守在城墙上开枪放炮，投掷炸弹，阻止共和军的进攻。在这次战斗中共和军吸取了山海关战役中步枪太长不利于近战的教训，给负责登城的突击队员配备了、手枪、手榴弹等便于近战的武器。在这种情况下，清军的伤亡增大了。清军军官不得不下令，从没有遭到攻击的西门抽调部队，赶赴东门和小北门增援。中午时分，三颗绿色信号弹升了起来，徐州城西门缓缓打开，张功圆见状立刻下令入城。共和军在张文生部士兵地配合下直奔道台衙门（徐州清军的指挥部所在地），由于清军的倒戈，共和军于当天傍晚完全控制了徐州城，并对全城进行了搜查，但没有发现张勋和袁世凯。随后刘伟晨进入了徐州城，在道台衙门设立了指挥部，徐浩峻向他报告说：“参谋长，全城已搜遍，没有发现张勋和袁世凯。”刘伟晨回答：“我知道了。”回头吩咐身边的卫兵：“把张文生请来。”
不一会儿张文生被请到了指挥部，刘伟晨对他说：“张将军，我是共和军参谋长刘伟晨，在此我谨代表共和军全体将士对贵军起义成功表示祝贺。现在我要向你了解一些情况，张勋和袁世凯跑到哪儿去了？”张文生说：“刘将军，两天前袁世凯就把军队的指挥权移交给张勋，自己率领部分部队奉旨向金陵城撤退。不过今天贵军攻城之时张勋一直在指挥战斗，即便趁乱逃跑也跑不远。”刘伟晨说道：“袁世凯逃往金陵城，张勋肯定也会逃到那里去。派出部队向金陵方向发起追击，一定要找到张勋，活要见人死要见尸。”
花开两朵各表一枝，张勋见张文生的部队发生倒戈，共和军在倒戈部队配合下直扑道台衙门，赶紧带领二百多人趁乱冲出徐州城，向着金陵城的方向飞奔，直到一更天（大约晚上七点左