意识到了不妙的毛利大尉，马上修改命令，要机车车头全速后退，争取暂时脱离中国军的伏击圈；同时无论客车车厢内的步兵还是货车车厢内的重武器兵力，立即向铁轨两侧运动着的中国军猛烈开火。
一时间，客车车厢的车窗都被打开，轻重武器开始居高临下向外还击。
实施主动攻击的中央军391团，当然也不是吃素的，此刻他们手中的步枪和轻机关枪一窝蜂地朝着铁轨上缓缓移动后退的庞然大物集中射击，不时还有人掷出手榴弹，尽管多数都砸在车厢壁上弹回爆炸。
利用步兵发起冲锋围攻的时间差，391团的炮连已经将四门重炮从原来的预设阵地急匆匆地拉到了公路上——同蒲路的概念，其实是公路和铁路的混合体，二者相距不足五六米，平行铺设延伸——炮连的阵地之所以设在了有公路的这一侧，就是为了防备文城的日军不走铁路而利用公路运送援兵的情况发生。
现在，重炮的车轮已经被炮兵推着滚上了公路，炮口一律朝着铁轨上渐行渐远的日军军列。秦忠孝亲自跟随在炮连连长的身边，要求务必精确瞄准。一边就下令给正在追击军列的两个营的营长：传令部队散开到铁轨两侧五十米开外的距离，以防炮火误击。
考虑到铁轨的宽度以及小火车的宽度，炮连连长决定只调用两门克虏伯山炮实施打击，一门打击车头方位，另外一门打击军列的后部。
军列里面的日本兵，最初发现铁轨两侧的中国军纷纷开始向后撤退的时候，还以为是被己方强大的火力逼迫所致的，副大队长毛利大尉一度狂喜不已；不料没过多久，居然有炮弹呼啸着，从车头方向打了过来。
391团炮连的首轮炮击，两门克虏伯山炮共打出了四发炮弹，由于黑夜能见度太差以及日军军列一直在移动的原因，只有一发炮弹命中了第三节客车的车厢外壁，另外三发有两发打飞、最后一发命中了铁轨的路基。
尽管如此，炮击的效果仍然是显著的：击中客车车厢的那发炮弹，不仅直接把车厢炸出了一个大窟窿，而且导致车厢度的迟滞；击中路基的那发炮弹，更是将一段铁轨炸断，无意之间堵死了日军军列的退路。
几十秒钟过后，这列窄轨小火车终于无奈地在刺耳的车轮摩擦轨道的声音里停了下来，就此成为中央军391团围猎的目标。紧接着，第二轮炮击发动并完成，又有车厢陆续中炮。
觉得时机已到的秦忠孝大手一挥，下令一营、二营的四个连，重新发起了冲锋。
车厢里的毛利大尉终于意识到陷入了绝境，中国军竟然有大口径重炮！这一点让他极为震惊，黑暗混乱当中他已经无法及时统计炮击造成的战损；危急之下，日军副大队长的头脑倒是没有慌乱，他一面命令一部分步兵陆续跳下车、背靠路基和军列构筑散兵线实施抵抗，一面指挥半数的重武器卸载下车，在铁轨两侧架设火力点，以防中国军的重炮再度打击军列车体。
就这样，日军一个中队的步兵分别在车厢内和车厢外背靠背地建立起了临时阵地，六挺九二重机枪（有四挺来自奈良大队直属机关枪中队加强给今夜行动的一个小队，另外两挺则是军列上的火力配置）陆续打响；步兵中队自身的轻机关枪和掷弹筒也早就开火——这些轻重机枪编织起来的火力网，总算帮助日本人在短时间内压住了阵脚。
一旦双方形成原地对射，中央军391团的人数优势就显得不那么突出了，相反，火力上的劣势却逐渐暴露出来。更何况，日军有列车车厢做依托，391团的官兵们却只能趴在、跪在光秃秃的荒原上射击。交战两军很快都有了一定程度的伤亡。
毛利大尉此时已经通过电台向后方的文城通报情况，言明中国军采取的极有可能是围城打援战术，携带有重炮的大部队于灵石县北郊围攻他的军列，列车和铁轨均遭到炮火打击破坏，无法再实施运行，正在原地固守，请示后方是否可以增派援军。
接到电报的萩原旅团司令部同样深感震惊，旅团长萩原晃少将与坐镇火车站的参谋长河边大佐紧急通了电话，简短地交换了看法；两名日军高层指挥官此刻的内心里都有了一丝悔意，认为低估了中国军在灵石县附近的这次突发行动——如果带队救援的毛利大尉没有言过其实，形势将变得非常严峻。
这股中国军的大部队究竟来自何方？如果就是大榆树山内的中央军391团，他们又是何时潜出到平原地带的铁道线附近的？携带着重武器的他们又是如何躲过了近在咫尺的丰店守军的视线？一连串的疑问涌上了日军旅团长少将的心头。
围城打援如果真的是这股中国军的战术目的，说明其胃口相当之大——皇军精锐的一个步兵中队，加强了大队部的炮小队和机关枪小队，而且有军列做依托，这是相当强大的战术单位；以中国军的战斗力，非五倍以上的兵力根本无法与之正面对决。但是现在，这一场正面对决却实实在在地发生了！毛利大尉电报里虽未明确求援，语气之中却也流露出了怯战之意。
“将军，事已至此，再派一支援军已成别无选择之势，
”河边参谋长在电话里急促地说道：“我建议调动守卫火车站的独立守备大队的这个中队，即刻再乘火车，赶往灵石方向！”