十三日早上，日军集中了十二门重炮，在坦克、装甲车和二十多架战机的助战下再次发动进攻，远征军第二 OO 师的步兵和骑兵相互配合，正面用集束手榴弹、燃烧瓶与日军的坦克和装甲车博斗，骑兵则不断迂回打击日军的侧背，战斗始终处于白热化状态。晚上，第二 OO师的阵地被突破一角，五九八团团长郑庭笈率领二营增授，血战之后堵上了缺口。
第二天，日军一面在正面继续猛攻，一面调第一四三联队和一个骑兵中队，在当地缅甸人的带领下，从同古的西面绕路向北，直接攻击了同古城北的克永冈机场。 杜聿明得知日军迂回同古后，立即命令部队从彬文那乘车火速增援，但由于道路坎坷，增援部队抵达时，克永冈机场已被日军占领。戴安澜师长的预料果然成真，机场的丢失使苦战中的第二○○师的后方被日军截断，戴安澜的部队陷入了日军的三面包围中。
为了应付最恶劣的情况，戴安澜命令放弃鄂克春前沿阵地，集中兵力保卫同古城。 此时，中国远征军第二 OO 师远远地突出于缅甸南部的最前沿，身后漫长的后方空虚得可怕。自十九日在皮尤河边与日军接触后，第二 OO 师之所以拼死在同古外围守了一周，就是为给后续部队争取安全抵达战场的时间。但是，英军不但不见作战部队的踪影，且在兵力运输上根本不配合。
至二十四日，除了新编第二十二师的先头团和第五军的一个补充团开到了同古北面之外，新编第二十二师的另外两个团还在曼德勒等待南下彬文那；而史迪威命令调往彬文那的第九十六师和配属给第二 OO 师的战防炮营，都还潜留在六百公里之外的腊成；至于本应运至飘背的第六军之暂编第五十五师，根本还没开始输送。 此时，英缅军第一师正从激战中的同古附近向西撤退，第十三旅也经过彬文那和东枝跟着向西逃跑。
原定的所谓“反攻仰光”和“与敌决战”，是建立在中英部队齐心协力以及后续主力迅速抵达战场的基础上，现在两者已经皆无可能，中国远征军不但失去了按照预定计划向当面日军实施攻击的机会，且已伤亡数百人的第二0 O 师因深陷重围命运尚不可知。二十五日，日军第五十五师团全部出动，从三面围攻同古，日军的三十多架战机轮番轰炸同古守军的阵地。
第二 OO 师官兵死守不退，他们把四周的森林点燃，试图用火墙阻敌，夜幕降临后又派出小分队袭击日军。激战持续到二十六日，日军利用坑道作业把同古城西北角的城墙炸塌，同时开始释放糜烂性毒气。防守该处库地的六 OO 团中毒者甚多，阵地随即被日军突破。为了给重炮轰击和飞机轰炸腾地方，日军主动退后二百米，等轰击和轰炸后再冲上来，第二 OO 师官兵只有拼死阻击。如此往返数次，双方伤亡惨重。
二十六日，蒋介石发来电报，要求远征军在同古至彬文那之间准备一场会战，实在不行也要在曼德勒附近与日军决战一次。根据蒋介石的指令，杜聿明于午夜发布命令，核心内容依旧是“反攻仰光”。 二十七日，苦战中的第二 OO 师终于得到了好消息：由廖耀湘率领的新编第二十二师抵达了同古北面的南洋车站附近，已经与日军发生了战斗。但是，日军的后续部队第五十六师团也抵达了同古的东面，并立即加入了第五十五师团对同古的攻击行列。
二十八日，新编第二十二师在南洋车站附近对日军的攻击进展缓慢，运送第九十六师的火车竟然出轨了，以致部队被耽搁在半路上，而同古的防守进入了危急时刻。刚到战场的日军第五十六师团派出搜索队，黄昏时分从同古南面的瓦济涉过锡当河，径直向第二○○师的指挥部偷袭而来。当日军冲到距戴安澜师长的指挥部仅剩四十米时，特务连与日军展开混战，戴师长拔出手枪和士兵们一起抵抗，直到五九八团的两个连前来增援，危机才得到缓解。
久攻不下的日军甚至化装成缅甸农民，穿着红黑衣裤赶着牛车，企图混入同古守军的阵地。二十九日，第二00 师在同古已经无法支撑了。新编第二十二师虽然攻入了南洋车站，但车站内有五栋坚固房屋，新编第二十二师只攻下了两栋，日军还占据着三栋；第九十六师由于火车出轨仍滞留在半路；补充第二团一度攻进克永网机场，但仍未彻底击溃日军。更重要的是，同古守军第二 00 师数天死战，伤亡巨大，弹尽粮绝。
声称协同中国远征军作战的英军，二十九日那天，在卑谬以南五十公里处的庞得被日军第三十三师团追上了，结果五百多英军被打死，一百多人被俘，二十二辆坦克、三十辆装甲车、二十多门大炮以及一百六十多辆汽车被日军缴获。中国远征军抵抗得越久英军越安全。但是中国人不准备死拼了。杜聿明认为，后续部队上不来，我军既不能集结主力与日军决战也不能迅速解除同古之危机，而日军的增援部队正源源不断地抵达战场，如果再延迟下去，第二 OO 师就有全军覆没的危险。杜聿明决定放弃同古。杜聿明的决定引起了轩然大波。
史迪威不但坚决反对第二 OO 师撤退，还命令中国远征军必须全面进攻----无论当时还是现在看，史迪威的命令完全不符合战场实际。 杜聿明已决定绝不服从史迪威的命令，他不顾一切地向第二 OO 师下达了二十九日晚突围的命令。史迪威大怒，把杜聿明和廖耀湘形容为“卑怯的杂种”。杜聿明越过史迪威直接向蒋介石请示，蒋介石权衡再三，觉得如果把嫡系部队打光了，再多的美国援助也没用，于是同意第二 OO 师从同古撤退。
十九日晚，五九九团的一个营在锡当河大桥发动佯攻，掩护师主力涉水过河。戴安澜师长在河边指挥接应，并最后一个撤离。第二 O ○师的撤退井然有序，除了阵亡者以及炊事班的一个伙食担子一度迷路之外，全师官兵，包括躺在担架上的伤员，全部安全渡河，抵达叶达西（今耶达谢）。
第二 OO 师，中国陆军之精锐部队，作为中国远征军的先头部队在没有友军协同和指挥系统混乱的情况下，深入异国陌生土地，与装备优势的日军苦战旬余，歼敌数千，缴获甚丰，但也付出了巨大的生命代价。英国《泰晤士报》载文说，中国第二 OO 师以寡敌众的作战，是中国军队的光荣；美国战史则认为，中国第二00师是缅甸作战中防御最久也是撤退最有序的一支优秀部队。同古之战给侵缅日军以极大震撼。
中国远征军官兵所表现出来的顽强作战意志当载入抗战史册。同古的放弃，使中国远征军失去了对日军北上之路的控制。同古战场自始至终未见英军的影子，中国远征军第二00 师的血战同时掩护着英军的逃跑。懦弱自私的英国人使在异国他乡苦战的中国远征军一步步迈向了磨难的深渊。