刘伟晨向部队下达了命令：“向徐州城发动总攻。佯攻东门和小北门的部队一定要大造声势，把敌人的注意力牢牢地吸引住，配合驻扎在城内的张文生部发动起义。”
军官们齐声回答：“保证完成任务！”
刘伟晨接着说：“张功圆留下，其他人回去准备吧！”
刘伟晨对张功圆说：“张师长！战斗打响后，你率领六辆坦克外加一个步兵营守侯在西门外，城门打开之后，配合张文生的部队在城内开展大搜查，一定要抓住张勋和袁世凯！”
张功圆回答：“参谋长！恕我直言，害人之心不可有，防人之心不可无。万一张文生部诈降，或者起义失败怎么办啊？”
刘伟晨回答：“如果发生这种情况，你就下令开炮攻城，到时候我会派兵增援你!”
张功圆回答：“是，知道了！”
经过准备以后，雷霆纵队向徐州城发动进攻，在炮击结束后，战士们向城门猛冲，清军坚守在城墙上开枪放炮，投掷炸弹，阻止雷霆纵队的进攻。这次战雷霆纵队吸取了山海关战役中攻城的经验教训，给负责登城的突击队员配备了机枪、手枪、手榴弹等便于近战的武器。在雷霆纵队的猛烈攻击下，清军渐渐坚持不住了。于是军官下令，从没有遭到攻击的西门抽调一部分部队赶赴东门和小北门增援。
在守卫西门的士兵被抽调走后不久，城西门缓缓打开了，张功圆看见立刻下令部队入城。雷霆纵队与张文生部队见面后，简单作了分工，双方士兵合在一起，一部分从守卫东门和小北门的清军背后发起进攻，一部分对城内开展搜查，一部分直奔道台衙门（徐州清军的指挥部所在地），由于雷霆纵队对守卫城门的清军前后攻击，城墙上的清军很快放弃抵抗，有的逃跑，有的投降。城内进攻的士兵打开城门，与城外的部队会合了，完全控制了徐州城。
刘伟晨进入了徐州城，在道台衙门设立了指挥部，徐浩峻报告说：“参谋长！经过对全城的搜遍，没有发现张勋和袁世凯！”
刘伟晨说：“组织部队对出城人员严格盘查辨认，防止张勋和袁世凯化妆混在老百姓当中出城！”
“是！我去布置！”
“通讯员！把张文生请来！”
不一会儿张文生来到了指挥部，刘伟晨说：“张将军！我是雷霆纵队总参谋长刘伟晨，在此我谨代表雷霆纵队全体将士对贵军起义成功表示欢迎和祝贺！”
“谢谢将军！”
“经过对全城的搜查，没有发现张勋和袁世凯，你知道张勋和袁世凯会藏在哪儿吗？”
张文生说：“刘将军！昨天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了。今天贵军攻城之时张勋一直在指挥战斗，即便他趁乱逃跑也跑不远，至于往哪里逃跑了，或者是隐藏在哪里，我还真不知道！”
刘伟晨说：“你的部队起义了，现在有什么要求吗？”
张文生说：“军人以服从命令为天职，我的部队起义了，就是属于你指挥，一切听从你的命令，服从你的安排!”
刘伟晨说：“你的部队先在你原来的兵营驻扎待命吧！”
“是!将军还有什么吩咐吗？”
“你先回去吧！”
刘伟晨想：袁世凯逃往金陵城，我估计张勋不会藏在徐州，肯定已经逃出城了。要派出部队向金陵方向追击，争取找到张勋。
再说张勋见张文生的部队发生倒戈，雷霆纵队攻城后，赶紧带领一百多名亲兵马队冲出徐州城，向着金陵城的方向飞奔。直到一更天（大约晚上七点），他们进入山区后，估计离徐州已经很远，雷霆纵队一会半会不能来到，才在一个村子附近停了下来。一个军官提议：“大人！弟兄们从今天早上开始和唐军交火，现在已经又累又饿，人困马乏，卑职建议在这个村子里休息一下，吃点儿东西，然后再继续赶路吧？”
张勋也感觉饥肠辘辘累的疲惫不堪了，说：“好吧！进村吃饭休息，天亮之后继续向金陵进发！”
清军进入村子，挨家挨户敲门，命令村民为他们做饭、喂马，如果不开门，他们就用枪把门砸开，整个村子被他们弄得鸡飞狗跳。