Связь с Омском на тот момент оказалась прервана, и в Ставке белогвардейцев только примерно догадывались о действительном положении дел на фронтах. Диверсионные группы чекистов уже вторую неделю в полную силу орудовали на направлениях Челябинск-Курган и Екатеринбург-Курган — резали и снимали провода, подрывали и разбирали железнодорожные пути, уничтожали телеграфы на станциях. Сколько-нибудь достоверной информации о численности и мощи наступающих красных в Генеральный штаб и Ставку Колчака не поступало. Поэтому белогвардейцы действовали, как Бог на душу положит. Генерал-майор Лебедев направил из Омска для обороны Челябинска Сибирскую дивизию. Дивизия имела недостатки по комплектованию и техническому оснащению, но на общем фоне считалась боеспособной. Кроме того, Дмитрий Антонович почему-то очень рассчитывал на Уральскую группу, фактически существующую только на бумаге. В ее составе не то что дивизии, а и полка не набиралось, но, несмотря на это, задачи ставились как для Группы войск, состоящей из нескольких дивизий.
С моральным настроем у колчаковцев оказалось не лучше. Солдаты отступавших частей рассказывали о несметных полчищах большевиков, лавиной хлынувших через Уфу и Златоуст на Челябинск. Большими проблемами для оборонявшихся стали дезертирство и переход частей на сторону Красной армии. К примеру, Башкирский корпус практически в полном составе переметнулся на сторону красных и после небольшой проверки отправился в район Стерлитамака для прикрытия флангов наступающей группировки от возможного удара казаков из района Оренбурга. Башкирская конница не только прикрыла правый фланг Южной Ударной группы, но и своим появлением на направлении Стерлитамак-Оренбург создала угрозу для Оренбургской армии белоказаков, оказавшейся фактически в полукольце красных частей. Казаки объявили мобилизацию, но теперь им приходилось думать о том, куда отходить в случае наступления частей Красной армии на город, а не о том, где удобнее атаковать.
Тем не менее, Колчак принял и утвердил план генерал-майора Лебедева. Приказ о контрнаступлении поступил в войска, и его пришлось претворять в жизнь, используя для этого части Западной армии и последние резервы. План сражения белогвардейцев был таков. Центр должен удерживаться вблизи города, а оба фланга перейти в решительное наступление. Штаб Западной армии отправил свой эшелон на станцию Чумляк, а командующий армией с частью офицеров перебрались в город. Такой переход для непосредственного управления войсками был бы хорош при заранее установленной связи с боевыми группами. Но в данном случае эта мера только еще больше разрушила управление войсками. Никто не знал, где и кто находится, а также что делать. Кроме того, у колчаковцев практически не осталось резервов, способных повлиять на исход боя и оградить белогвардейцев от случайностей.
Когда передовые части Четвертой армии под командованием Фрунзе утром 11 января подошли к городу, они нарвались на сильный огонь. Тактика обороны белых оказалась весьма простой и действенной, ее использовали еще каппелевцы, отступавшие в ноябре-декабре к Уфе.
Глубокий снег не допускал движения на большом расстоянии вне дорог. Колчаковцы подпустили передовые части Четвертой армии к окраинам города на расстояние действительного огня, где заставили их развернуться и залечь. Морозы стояли сильные, поэтому выдержать такое лежание долго нельзя, а продвигаться вперед очень трудно. Через некоторое время Фрунзе отдал приказание об отходе. При этом многие передовые части понесли большие потери, так как артиллерия обороняющихся яростно преследовала огнем отступающих. В этот момент колчаковцы и пошли в атаку. Кое-где они добились успеха, но частичного. Решительной победы не получилось, да и не могло быть.
Михаил Васильевич Фрунзе, несколько расслабившийся после молниеносного взятия Златоуста и быстрого преодоления Уральского хребта, моментально собрался и, подтянув резервы, ударил по атакующим колчаковцам всей мощью. К 14.00 13 января Сибирская стрелковая дивизия белых полностью потеряла боевое значение, а большая часть ее солдат сдалась в плен. Уральская группа к этому времени вообще перестала существовать.
Перемолов атакующих колчаковцев, Фрунзе, по указанию Каменева, нанес удар не по центру обороны колчаковцев, а на их правом фланге. Красноармейцы сумели ворваться в город и выйти в тыл соединениям, обороняющим центр позиции противника. Солдаты недавно сформированных белогвардейцами резервных дивизий начали самовольно оставлять позиции, разбегаться и сдаваться в плен. Некоторые части в полном составе переходили на сторону Красной армии. Фактически это был разгром. Условия, затруднявшие атакующие действия войскам под командованием Фрунзе, теперь мешали белогвардейцам перегруппировать силы и попытаться исправить сложившееся положение. Сказалось и отсутствие резервов у противника.
Тем не менее, я очень нервничал весь день. Уже стемнело, когда принесли очередную телеграмму от Михаила Васильевича. Фрунзе меня очень обрадовал, сообщив, что дивизии противника, державшие центр обороны города, прекратили сопротивление и сдались в плен, тем самым, открыв Четвертой армии направление главного удара. Некоторое время спустя, пришло сообщение от Каменева, в котором Сергей Сергеевич рапортовал о взятии Челябинска. У меня будто камень с души свалился.
Через два с половиной часа все закончилось. Отдельные небольшие части и группы колчаковцев теперь пытались вырваться из города в направлении на Екатеринбург. Это направление оказалось единственным возможным путем для отступления, после того как наши войска, выйдя на восточную окраину Челябинска, блокировали железную дорогу Челябинск-Курган. Очаговое сопротивление колчаковцев в самом городе еще продолжалось, но ключевые точки Челябинска, так же, как и железнодорожные станции и депо уже контролировались красноармейцами.