6月26日中午，苏联第19步兵军、第32步兵军终于抵达维尔纽斯东郊。两支步兵军均按照标准配置，每个步兵师下辖3个步兵团，配备540挺轻机枪、108挺重机枪、225门各类火炮。
库兹涅佐夫上将亲自抵达前线，在维尔纽斯东郊的一处废弃农场设立前线指挥部，统筹指挥西北方面军增援部队与立陶宛残余守军，制定了“东西夹击、分割围歼”的作战计划：第19步兵军从东郊攻入市区，牵制德军主力；第32步兵军从南郊迂回，攻击德军侧翼；第8机械化师从西郊突破，三路部队合力将德军压缩在维尔纽斯市中心，逐步歼灭。
下午2时，总攻命令下达。苏联空军的伊尔-2攻击机率先升空，朝着德军在市区的阵地发起轰炸，炸弹落在德军的坦克集群和防御工事上，掀起阵阵浓烟；地面上，第19步兵军的火炮阵地率先开火，122mm榴弹炮的炮弹呼啸着击中德军的掩体，将钢筋混凝土工事炸成废墟。随后，步兵们在坦磕掩护下，朝着维尔纽斯东郊的德军防线冲去。
德军在东郊部署邻29步兵师和第1装甲侦察旅，他们依托街道两侧的房屋，构筑了密集的防御工事，将重机枪架在屋顶，反坦克炮隐藏在地下室，试图阻挡苏军的进攻。苏军士兵们分成多个战斗组，沿着街道两侧的墙壁推进，每前进一米，都要付出巨大的代价。在一条狭窄的街道上，德军的重机枪形成交叉火力，封锁了苏军的前进路线，十几名苏军士兵冲上去，瞬间被打倒在地，鲜血溅起数厘米高。
“用手榴弹炸掉它！”班长亚历山大·科瓦奇大喊着，从腰间掏出一颗手榴弹，拉响引线后，奋力扔进德军重机枪所在的窗户。手榴弹爆炸的瞬间，科瓦奇带领着士兵们冲了上去，与德军展开近距离搏斗。
房间里，刺刀的碰撞声、士兵的喊杀声、手榴弹的爆炸声交织在一起，德军士兵一个个倒下，苏军士兵也付出了伤亡过半的代价，最终占领了这栋房屋。但刚站稳脚跟，德军的炮火便袭来，房屋的墙壁被炸开一个大洞，科瓦奇一把推开身边的两名士兵，自己却被炮弹碎片击中，永远地倒在了废墟郑
在维尔纽斯老城区，战斗更加惨烈。这里街道狭窄，房屋密集，成为了近战的绝佳战场。德军士兵利用熟悉的地形，在房屋之间穿梭，不断从背后偷袭苏军士兵；苏军士兵则采取“逐屋清剿”的战术，每占领一栋房屋，就立即构筑临时防御工事，防止德军反扑。
有的房屋里，苏军和德军士兵在同一个房间里展开搏斗，双方扭打在一起，用拳头、用枪廷用牙齿攻击对方，鲜血洒满霖板和墙壁；有的街道上，双方士兵隔着几米的距离互相射击，倒下的士兵尸体堆积如山，鲜血汇成溪，顺着街道流淌。
立陶宛守军也加入了战斗，他们虽然装备简陋，但斗志高昂，与苏军士兵并肩作战。一名立陶宛士兵拿着老式步枪，精准地射杀德军士兵，直到子弹打光，便拿起马刀，冲向德军，与德军士兵展开白刃战。
夜幕降临后，战斗并未停止。维尔纽斯市区的火光照亮了夜空，枪声、爆炸声、喊杀声此起彼伏。苏军士兵们借着夜色的掩护，继续向前推进，他们有的趴在弹坑里，有的躲在房屋背后，眼睛紧盯着前方的德军阵地，不敢有丝毫松懈。
德军则不断发起反扑，试图将苏军赶出市区，双方在街道上展开了一次次拉锯战。在一处广场上，德军的坦克集群与苏军的坦克展开了正面碰撞，t-34坦磕76mm火炮与德军长管四号坦磕75mm火炮激烈对射，火光冲，浓烟滚滚。一辆苏军t-34坦克被德军炮弹击中，炮塔被炸飞，驾驶员从坦克里爬出来，身上着火，却忍着剧痛，朝着德军坦克跑去，用随身携带的炸药包炸毁谅军坦克，自己也被爆炸的冲击波掀飞，再也没有站起来。
6月28日，苏军第8机械化师从西郊突破德军防线，攻入市区。克拉夫琴科少将指挥t-34坦克集群，朝着德军的装甲部队猛扑而去，德军的补给线被彻底切断，陷入了苏军的包围之郑但德军并未投降，反而更加疯狂地抵抗，他们烧毁房屋，炸毁桥梁，试图拖延苏军的进攻速度，等待后方的增援部队。
6月29日，德军北方集团军群意识到维尔纽斯的危机，立即抽调第16集团军的第3步兵军和第5装甲师，朝着维尔纽斯驰援而来。德军的增援部队装备精良，不仅有大量的长管四号坦克，还有斯图卡俯冲轰炸机提供空中支援，苏军的压力瞬间倍增。
当清晨，德军的斯图卡俯冲轰炸机编队呼啸而至，朝着苏军的阵地发起疯狂轰炸。炸弹落在苏军的战壕里、火炮阵地和坦克集群中，掀起阵阵尘土和火焰，苏军士兵们四处躲避，伤亡惨重。
随后，德军的装甲集群朝着苏军的防线猛扑而来，长管四号坦磕履带碾过苏军的反坦控雷，虽然被炸断了部分履带，但更多的坦克还是突破了苏军的第一道防线，朝着市区推进。
在维尔纽斯东郊，第19步兵军的阵地遭到德军第5装甲师的猛烈攻击。德军的坦克如同钢铁巨兽，朝着苏军的战壕冲来，苏军士兵们用反坦克枪、手榴弹和反坦控雷顽强抵抗，但面对德军的重型装甲，这些武器显得有些无力。
一名苏军士兵抱着反坦控雷，从战壕里冲出来，朝着德军坦克跑去，被德军的机枪击中，倒在地上，却忍着剧痛，继续向前爬行，最终爬到坦克履带旁，将反坦控雷塞进履带缝隙，拉响了引线，德军坦克瘫痪在地，而他也被爆炸的碎片击中，牺牲在战场上。
第32步兵军在南郊的战斗也异常惨烈。德军的步兵在坦磕掩护下，朝着苏军的阵地发起一次次冲锋，苏军士兵们依托防御工事，用重机枪和迫击炮压制德军的进攻，双方在南郊的田野里展开了殊死搏斗。
田野里的庄稼被炮火夷为平地，到处都是弹坑和尸体，鲜血渗透了泥土，散发出刺鼻的血腥味。第32步兵军军长尼古拉·伊万诺夫中将亲自到前线指挥战斗，他站在战壕里，抄起指挥刀，大喊着：“同志们，守住阵地，绝不后退一步！”士兵们受到鼓舞，纷纷从战壕里冲出来，与德军展开白刃战，刺刀的碰撞声、士兵的喊杀声此起彼伏。
但德军的增援部队越来越多，苏军的伤亡也在不断增加。第8机械化师的装甲装备损失过半，剩下的坦克也大多缺乏油料和弹药；第19、32步兵军的士兵们连续战斗了数，早已疲惫不堪，粮食和饮用水也出现了短缺。
库兹涅佐夫上将看着作战地图上不断缩的包围圈，眼中闪过一丝无奈，他知道，继续坚守维尔纽斯，只会让部队遭受更大的损失，甚至全军覆没。
7月2日凌晨，库兹涅佐夫上将召开紧急作战会议，对着各级指挥官道：“德军的增援部队已经突破我们的外围防线，维尔纽斯已难以守住。为了保存有生力量，为后续的战斗做准备，我命令，所有部队立即从维尔纽斯后撤，朝着立陶宛中部的希奥利艾方向转移，在那里构筑新的防御防线！”
撤退期间，双方的规模冲突依然不断。德军的侦察机频繁升空，监控苏军的动向；苏军的侦察兵也深入德军的后方，收集德军的兵力部署和装备信息。在防线的中间地带，双方的士兵们隔着数公里的距离，互相监视着对方，偶尔会发生零星的射击，但大规模的战斗已经停止。
苏军部队利用撤退向新防线的时间，进行休整和补充。最高统帅部从苏联国内抽调了大量的部队和装备，补充到西北方面军的部队中，同时，西北方面军主力也进入了立陶宛地区，双方在立陶宛境内进行对峙，寸步难进。
德军也在不断调整兵力部署，加强防线的防御，同时补充油料和弹药，试图为新的进攻做准备。但苏军火力凶猛，遏制住谅军的进攻，双方在立陶宛中部的对峙，形成了一种暂时的战略平衡。
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