罗大同想到敌军在判明形势后会果断回撤，双方间必然会发生激烈的战斗，而土土哈的果决也改变了他对其的看法。按照蒙古人攻城作战的习惯，首先他们会四处抓捕百姓，并以他们为前驱，以此来消耗守军的实力，打击守城者的士气。在此过程中间或安排精锐部队，在发现守军漏洞后会骤然发起突击，迅速打开缺口，为后续部队扫清障碍。
若是这种战术失败，蒙元军便会在‘炮灰’们伤亡殆尽后，以战斗力较弱的部队攻城继续消耗守军的实力和物资。此时一旦守军出现疲态，蒙元精锐就会加入战斗，并不间断的发起进攻，一鼓作气拿下城池。而土土哈一改这种惯例，进攻开始就动用了汉军右卫和火器卫一个千户展开进攻，并以钦察卫的骑军对镇外封锁旧道的宋军进行牵制性攻击。
蒙元汉军诸卫的来源可以追溯到最早投靠蒙古人的河北、山东汉族世侯，这些地区久经战乱，民风尚武，作战悍勇，追随着蒙古人参加了灭金、攻宋，镇压蒙古宗王叛乱立下殊功，为忽必烈所倚重。后来，为了防止汉族世侯做大，才逐渐削夺了世侯们的兵权，收起兵马一部分驻守江南，精锐则编入了侍卫亲军。
由于汉军卫参与了刺杀蒙元权臣阿合马事件，引起忽必烈的猜忌，将汉军诸卫将领更换为蒙古人和色目人，虽然仍担任守备京畿的任务，但更多的时间是屯田。近一段时间由于疏于训练，导致战斗力下降，可他们皆入军户，世代为兵，尚武之风依然浓厚，且军官自下到上都经历过实战，仍然不容小觑。
敌军如蚁般的涌来，即便让经历过常熟血战的罗大同都头皮发麻，要知道柳子镇的防御设施远不如常熟城，即没有瓮城、羊马墙、护城壕的外围城防设施，也没有修建马面、角楼、炮台、城门、千斤闸之类等防御工事。且由于镇子是跨运河而建，中间宽敞的河道由于淤积已经成了大路，更不会修有寨墙，虽然进行了封堵建起了工事，但依然十分薄弱，也自然成了敌军进攻的重点。
兵力悬殊，城防羸弱，罗大同唯一能够依仗就是强大的火力，因此战斗一开始就充满了火药味儿。宋军以火炮和火枪对敌展开了顽强的阻击，而事先布置在镇外的火力点也从侧翼对敌进行扰乱性射击，两厢配合下打退了敌军一次次进攻。
不过战斗中也是险象环生，宋军的防御体系是依托火炮的支援，但是火炮有着一个难以克服的困难。由于火炮连续发射会使炮膛温度升高，厚重的炮管又无法快速散热，而发射药是直接撞入炮膛，一旦温度过高就会使发射药包自燃，导致火炮炸膛。所以火炮在发射几炮后就需要一段时间散热降温，敌军就趁着这个炮火减弱的间隙冲到城下。
尽管敌兵在宋军火枪轮番攒射下一波波的倒下，但是敌军仍然是蜂拥而至，并以弓弩和火器压制寨墙上的宋军。轮番冲击下，寨墙前的拒马、麓角被破坏，抢修的简易工事也是岌岌可危。罗大同一边指挥能够发射的速射炮抵前射击，又阻止各式小炮进行拦阻射击，但依然难以抵御敌军的冲击，几次让敌军冲入阵内。他不得不在第一天就动用预备队展开反突击，才将敌军驱逐出去。
第二天的战斗从日出一直战到日落，敌军才撤出了战斗，战场上遗尸数千具，而宋军也伤亡近千人。这让罗大同怎么能不心惊，敌军的兵力远胜自己，若是他们不顾伤亡的如此连番进攻，己方兵力很快就会被消耗殆尽，可能都等不到援军的到来。好在左翼阵地上虽然也爆发了激战，但程度远逊于此，让他还能够喘口气。
当夜双方都没闲着，罗大同下令拆毁镇中的房屋连夜加固工事。而元军则不断派出部队发动夜袭，让他们根本没有时间休整。天一亮，战斗又再次开始，今天主攻的却换成了汉军中卫，火器卫也投入了大部的兵力。他们的战术除了依旧猛攻不停外，还对部署在镇外的火力点展开进攻，意图将他们清除。
罗大同看到这一幕立刻意识到自己犯了错误，他在阵前布置火力点是来自于守常熟时的经验。意在利用步炮结合的小分队占据有利地形对攻城的敌军侧翼进行攻击，从而减轻城上守军的压力。但是前出火力有一个弱点，由于兵力较少，火力较弱，需要通过中、重型火炮对敌压制和火力点间相互掩护才能够巩固阵地，而他却疏忽了这里并非常熟那样有山地可用利用，使敌军无法展开大兵力进行围攻。可现在前出阵地只是占据了制高点，周边皆是宽阔的平地，敌军可用四面围攻……