北卫城大战之后的第三天，乌利可汗率领柔然主力到达了野孤岭前线。这位身经百战又有雄才大略的君王没有责罚扎兰丁和失烈门，而是先祭拜了野孤岭战场，又祭奠了在北卫城战死的将士，并派出了大量小股骑兵到大同周边进行哨探。当确认雁门关外并无周朝援兵后，他亲率十万兵马一举包围了大同城。之后，乌利可汗让部队进行了两次试探性的进攻，结果都被击败。随即，他命令大军在大同城外挖堑筑垒，打算长期围困该城。
针对柔然人的部署，宋启愚也对城防进行了相应的调整。考虑到朝廷援军在短时间内难以到达，又念及敌人兵力强大，不能马上击破，宋启愚随向东边的张洪涛和西边的张永德发信求助。由于西北地区也在抗击柔然和西羌的进攻，无力它顾，所以张永德并未理睬关北来的信使。倒是燕热宣慰使张洪涛在了解了关北战况后，下令妫州、武州等地抽调部队，伺机支援大同。可是，武州镇守使马庆明因怨恨宋启愚弹劾过其子马健东，以本地也有战事为名，拒绝出兵关北，并扣下了宣慰使司发往其他各州的调军文书，致使支援关北的军队始终未能组建。
乌利可汗在围城半个月之后，对大同城发动了进攻。宋启愚登上城楼，迅速判断了柔然人的攻击重点。他对身后的将领们说道：“从地形上看，北卫城地势最高，西卫城次之，敌人一定会重兵攻击这两处。而东卫城和南城，敌人均要仰攻，需付出较大代价。故而，段卫国、曹可用。”二将抱拳施礼道：“在。”宋启愚命令道：“你二人即刻领三千兵马到北卫城去，跟那里的庄必成、宋启智一道固守城池。”二将答了声是，转身下城，点兵前去御敌。宋启愚又命令说：“吴襄，常斌，你们领三千兵马到西卫城，跟李开复、董阳共同打击敌军。”二将领令，往西卫城去了。接着，宋启愚又命令张广胜和伍名带着一千弓箭手加强东卫城防御，郭林和姚凯带着一千士兵加强南城防御。待众将走后，宋启愚叫过毛小和申鲤，让他们各带两千兵马随时准备增援各处。最后，宋启愚跟余天锡说：“该让炮队一显身手了。你们训练得怎么样？能投入战斗吗？”余天锡兴奋地说：“咱这五百人早就准备好了，随时都能上战场。”宋启愚坚毅地说：“好。等敌人的第一轮攻击结束，我就大体上能判定出他们究竟要强攻哪里。到时候，你把三十门大炮全都架上城头，集中攻击柔然人的冲锋部队，消灭敌人的有生力量。”余天锡大声叫嚷道：“末将遵令。”
从辰时开始，柔然大将哈量台命令部队反复冲击着北卫城。四千多柔然骑兵来回奔驰，箭发如雨，器械部队运送着砂石木料上前填埋河道。城上的庄必成、宋启智等将领则以弓箭、床子弩还有抛石车打击着敌军。不时有将士倒下，双方的伤亡都很大。在东卫城，张广胜和伍名也在奋力抵挡来自扎兰丁的攻击。在南城，失烈门亲临一线，与士兵们一同攻城，甚至在身中两箭的情况下，也不愿后退。战斗最为激烈的，当属西卫城，柔然宰相摩柯莫命五千重装骑兵前出到护城河边，掩护后面的器械部队架设浮桥。由于这些士兵和战马通身都有重甲保护，动作虽然迟缓，却不会被弓箭所伤。这给周军造成了极大的困扰。董阳恼怒地擂着城垛骂道：“妈的，这些狗日的‘铁浮屠’，咋就射不死呢！命令抛石车加快抛射速度，一定不能让他们把浮桥架起来。”就在这时，一支雕翎向他面门飞来。董阳想躲已经来不及了。他只能最大限度地向旁边甩头。就听“嘣”的一声，董阳中箭，摔倒在几尺开外。身边的士卒赶紧上去抢救。董阳满脸是血，嘴里还喷着血沫说：“托木豆，楼了个的破了……”几个亲兵听不清楚他说什么，先帮他检查了伤势，这才发现他的几颗牙齿被箭镞击落，腮帮子上还被射穿了一个洞。在不远处指挥作战的吴襄跑过来，一边让人替董阳上药包扎，一边吩咐说：“奶奶的，让大伙把箭头都沾上桐油，用火箭射他们。你们再去调几架床子弩来，射穿了这些混蛋。”