16日，马元海兵分三路，重点进攻古浪城正南的古龙山、西南的西阳山山和城西南角。拂晓，战斗打响了。敌人先用猛烈的炮火猛轰古龙山和西阳山山。紧接着让民团打头，采用"牦阵"和人海战术，整营整团地发起冲锋。马全义驱使民团在前，从西侧进攻古龙山；马呈祥手枪团配合韩起禄旅从东北进攻西阳山山；马彪旅则从西南山梁冲击西阳山山。坚守西阳山山的红25师一个团，面对敌人的上下夹击，顽强抗击，战斗十分激烈。红军充分发挥山地战、近战的特长，打退了敌人的几次进攻。

战至中午，马呈祥转而率部进攻县城西北角，又遭27师一部迎头痛击，敌2营营长马德良毙命，士兵、民团伤亡200余人，狼狈退到暖泉一带。进攻古龙山的马全义团等，也被红25师一个加强团连连击退，死伤士兵100余人，民团300余人，马全义本人也在督战时受伤，败退而归。

红九军虽取得了第一天守城的胜利，但弹药损耗大，人员也有伤亡，特别是坚守西阳山山的红军伤亡较大，形势不容乐观。

17日，马敌在进攻古龙山和西阳山山的同时，重点进攻北关。朱绍良从兰州派来第15航空队三架战机首先对北关和北街红军阵地狂轰滥炸，马元海接着命令炮兵猛轰。然后轮番对北关发动强攻。坚守北关的27师将士，因城外临时修的工事被敌炮火炸毁，不得已退进北关。北关因早已被地震震塌，无关可守，遂退至北街与敌巷战。红27师一部乘机迂回城外，从敌后向敌人发起反击，将冲进北街的敌人分割包围，于下午5时许夺回北街。

马元海见势不好，遂令部队撤至城外暖泉一带，不敢再攻。敌机受命于西北绥靖公署主任朱绍良，兼有督战职能，见马敌迟迟不再进攻，遂投下炸弹数枚，炸死人马30余骑，督促攻城。马元海被逼下令再攻，但士气全无，黄昏时分再次被红军击退。

这一天击伤敌手枪团一营营长韩成德，击毙敌士兵、民团200余人。红军弹药损耗大，也伤亡不少。

18日是古浪战斗最为激烈残酷的一天。马敌在飞机配合下，先以炮火猛轰，紧跟着倾巢出动，以民团打头，步骑配合，迂回穿插，全力进攻。霎时间，古浪城内外，山上山下，炮声震天，硝烟蔽日。红九军被迫四面迎战，因弹药缺乏，加之敌人发挥骑兵进退迅速的优势，红军各自为战，很快陷入被动。

然后，马敌又集中炮火猛轰古龙山和西阳山山两处制高点，并发动集团冲锋。坚守古龙山的25师一个加强团，打退了敌人几次进攻，终因弹药用完，被敌人攻上了碉堡顶部。碉堡内红军用刺刀与敌人拼战，但终因敌众我寡，守山红军几乎全部壮烈牺牲，古龙山失守，有群众见一个红军抱着轻机枪从山顶滚落下来。西阳山山也经受了同样激战和挫折，被敌人占领。

敌人占领了古龙山和西阳山两处制高点，对古浪城一览无余，可用炮火直接轰击古浪城内的每一个角落，在飞机轰炸掩护下，发起了全面进攻，古浪城岌岌可危。

马敌利用红军躲避轰击的机会，用骑兵穿插到27师背后，从水门关攻进城内，一些机关人员因猝不及防，被敌人砍杀。战况危急，军首长命令司令部2科李科长和交通队张教导员率交通队和部分机关人员出击，将敌人赶出城外。未料敌人利用骑兵优势迅速逆袭，李科长中弹牺牲，许多战士或中弹牺牲，或遭敌马刀砍杀，张教导员只带少数人返回城内。

马敌复又攻进城内，直扑军部。保卫部长陈宜贵手提驳壳枪率几十名保卫队员与敌拼杀，广东籍的侦察科长膝盖负伤，被背了下去。敌人多数留着大胡子，擅长劈杀，很快攻到军部附近。

军政委陈海松左手负伤，右手高举驳壳枪，亲自率交通队等高喊着冲出军部迎敌。危急时刻，27师从东北方向杀开一条血路，前来接应。敌人遭前后夹击，阵脚大乱，敌营长马青山毙命、韩德明负伤，士兵和民团伤亡近千，于下午四时许狼狈退出城外。

九军首长立即召集紧急会议，决定连夜突围。突围前，政治部主任曾日三到各处看望伤病员，能带走的尽力派人带走；实在不能带走的重伤病员，曾日三给每人都留了安置费，并亲自写信，请敌人按照人道主义，不要杀害。

是夜，在红30军88师268团接应下，红九军突围西进，先到古浪东北之定宁寨，后到凉州东北之双城堡一带，与三十军和总部靠拢，进至永昌东寨一带。

古浪一战虽毙伤敌人约2000人，但自身也遭受重大伤亡，干部伤亡尤其严重，军参谋长陈伯稚牺牲于鼓楼墩，25师师长王海清、27师政委易汉文、李德明及骑兵团长黄高宏等许多重要领导干部都壮烈牺牲，25师政委盛秀铎负重伤。加上之前的石窝（景泰县）、干柴洼、横梁山诸战，九军共伤亡2400余人，故民间有"古浪三战（包括干柴洼和横梁山两战），九军折半"之说。