10月13日上午，攻城开始，首先是以猛烈的炮火，轰击城门、城楼以及城内敌军司令部、炮兵阵地、无线电台等重要目标，并出动飞机，不断向城内投放炸弹和宣传品。下午，各团攻城先锋队开始爬城，战斗异常激烈。但由于城墙高梯子短，城墙上工事没有全部摧毁，敌人居高临下，拼死顽抗，东征军多次冲锋都没成功，损失惨重，进攻的部队始终无法逼近墙根，只好收兵。强攻受挫，蒋介石主张放弃攻惠州，而转攻海陆丰。共产党人和苏联顾问坚持认为，在当前情况下，只有首先攻下惠州城，才能给敌人以重大打击，开拓东征胜利的局面。蒋介石才决定继续攻城，仍由第四团主攻北门，而调第八团协助之，由第七团及第一补充团攻西门。

10月14日下午3时，国民革命军继续攻城。野炮、山炮集中火力，猛烈轰北门，摧毁敌军城上丁事，扫除暗藏的侧防火力。炮兵营营长陈诚，特调山炮一连，推进至北门城楼外500米处，将敌人暗藏的机枪打哑。经过激烈的搏斗，革命军终于占领了惠州。陈炯明部杨坤如负伤，狼狈出逃，其部也纷纷弃城而走。惠州之役为完成第二次东征，打开了胜利的通途。

攻克惠州城后，蒋介石当时向国民党中央执行委员会、国民政府主席汪精卫及各院部会、各留守广州的将领、各农会工会组织报捷。他在捷报中说：  “惠城夙称天险，有宋以来从未能破，今为革命军一举攻克，虽由将士奋勇用命，亦我大元帅在天之灵有以佑之。从此努力前驱，肃清逆氛，指日可期。吾党前途大放光明。”10月16日下午，国民革命军和惠阳工农民众在惠州第一公园（今中山公园）召开追悼东征军阵亡将士大会。

攻克惠州城，在当时的广州引起轰动，显示了革命阵营的强大力量，极大地鼓舞了广大工农群众的信心，看到了国民革命的前途。这次东征，在省港罢工工人和东江农民的支持下，很快收复了潮汕两地，11月初收复了东江，广东革命根据地基本上统一。

在黄克等共产党员的领导下惠州地区的国民革命之农民运动、工人运动、青年运动如火如荼的开展起来。11月16日，惠阳县农民代表大会在惠州召开，发表了《惠阳县农民协会成立宣言》，成立惠阳县农民协会。会议选举朱观喜为农民协会委员长，戴云昭为副委员长。会后举行了声势浩大的游行示威。