雙方在城牆上展開了激戰，因為雙方的火炮數量都不多，難以對城牆造成毀滅性破壞，所以在這個時代拒城而守還是沒有問題的。憑借這惠州城五米多高的厚實城牆，粵軍可以居高臨下的射殺革命軍。

革命軍也不甘示弱，在將數十挺重機槍集火掩護之下，士兵們利用臨時綁扎的雲梯登城作戰。面對擁有堅城的粵軍，革命軍組成了敢死隊，他們口叼鋼刀，不顧一切的向著雲梯上爬去，雙方的戰斗異常激烈。

每當一名革命軍戰士被流彈擊斃掉落城下，都會有新的戰士爬上雲梯。沒人有絲毫的猶豫，為了崇高的理想，他們不惜以自己生命作為代價。一邊是為了理想而戰，一邊求生的本能，雙方戰斗的激烈程度可想而知。

粵軍只有兩千多人，根本不足以防守所有的城牆，革命軍戰士很快占據了部分城牆，與粵軍爆發了激烈的短兵相接。步槍、手槍、鋼刀和刺刀，都成了雙方搏殺的有利武器，城牆上屍體堆積血流成河，拼殺的雙方士兵甚至會被屍體絆倒。到處都是血污，隨處可見斷臂殘肢，硝煙混合著血腥味讓人幾乎無法呼吸，城牆上的戰場化身為修羅地獄，收割著一個個士兵的生命。

這一次的進攻，已經無人再反對蔣瑞元的命令了。對於這個執拗而冷酷的指揮官，大家都失去了規勸的動力。何況按照現在的形勢，強攻已經變成了唯一的選擇。

在激戰六個小時之後，惠州城被攻占，革命軍付出了兩千余人陣亡的代價，打垮了陳炯明最後的家底。八百多名粵軍戰死當場，四百多人被俘，其余的士兵和將領都趁亂逃出了惠州城，但這其中卻並不包括陳炯明。就在城破之前，發瘋似的陳炯明殺死了自己的家人，隨後吞槍自盡了。

惠州城的勝利，讓革命軍徹底掃除了後路的敵人，穩固了粵東省的根據地，為第二次北伐奠定了基礎。盡管蔣瑞元取得了輝煌的勝利，但軍官們對他頗有微詞。這樣的勝利是依靠三萬多革命軍的生命換來的，這樣的慘勝不要也罷。不少人甚至私下里表示，如果聽取了周伍豪的建議，革命軍在獲勝的情況下，陣亡人數應該不會超過五千。

對於這些說法，蔣瑞元才不會理睬，只要能夠取得勝利，他不在乎付出多少代價。他只知道這些軍隊並非他的嫡系，而他已經獲得了足夠的戰功。

盡管革命軍犧牲如此慘重，讓孫文海痛心不已，但他們還是通令嘉獎了參展部隊，並為蔣瑞元升了官。這一戰徹底擊敗了陳炯明，卻也徹底斷送了短期內重新北伐的可能，革命軍只好重新組建部隊進行訓練，這需要大量的時間和金錢。