美军攻进城后，发现武装分子早已用废车、砖墙、水泥袋等将道路封死，而武装分子以4~12人的小队躲在经过加固的房屋内或屋顶上，用AK47、火箭弹、机枪和迫击炮向美军射击;由于没有夜视装备，武装分子在夜里很难对美军构成真正威胁。美军则用推土机和挖掘机开道，一一清理前进道路上的路障。路障清除后在阿布拉姆坦克、布莱德利战车、120毫米数字迫击炮、AC-130、眼镜蛇、阿帕奇、155毫米火炮的全力掩护下，步兵逐房进行搜索清剿，不时与藏匿在房内的武装分子爆发激战;为了避免被悬挂在门上和墙上的诡弹杀伤，美军通常先召唤坦克推倒房屋的墙壁，或者安置炸药炸开房门，然后再冲入进行搜查。在进行巷战时，美军的坦克和车辆会尽量靠着街道的一侧，从而可以为在街道另一侧的车辆提供火力支援;有时侯前头的坦克由于射角过小而无法攻击武装分子的火力点，殿后的装甲车就会担起这一任务;美军狙击手则在后方隐蔽点埋伏随时狙杀出现的武装分子。在夜间，美军的LRAS系统(远程侦察监测系统)能在错综复杂的街区中寻找到前进的道路。
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至11月9日下午，在空中和远程炮火掩护下，经过激烈的逐房争夺战，美军先头部队已经攻进了市中心的纳兹扎区(费卢杰旧城)。2个战斗团有各自不同的战术：第1战斗团以稳步推进为主，小心地消灭一路遇到的每一个武装分子火力点，尤其注意自己的前线，不让武装分子有机会从正前方渗透;第7战斗团则敢打敢冲，遇到难啃的骨头先绕过朝下一个目标推进，因此前进速度极快。这造就了一个有趣的现象：第1战斗团进展较慢而且侧翼容易遭受武装分子攻击，但控制区内比较稳定;第7战斗团进展迅速但后方遗留的武装分子火力点却成为了隐患。而陆战队和陆军的风格又有所不同，陆军士兵更多仰赖整体战术和重火力，陆战队员则继承了他们的传统，更侧重于小规模部队间的配合，只有在进攻受阻时才召唤重火力支持。
11月9日这一整天的战斗非常激烈，美军的坦克和装甲车几乎都来不及回应前线步兵的召唤;甚至空袭和远程火力也一度因为害怕误伤友军而出现停滞。在费卢杰东北部的陆军第2步兵团2营取得了很大的成功，该营一路推进，抵达了位于费卢杰中部的10号公路(福兰线)，为联军提供了一条更便捷的补给通道，美军原先预计要用48个小时才能抵达这里，而实际只花了24个小时。10号公路对面就是位于城东的费卢杰工业区，这片工业区长宽各有2公里，有大量的仓库和厂房，被美军认为是武装分子的训练学校和炸弹工厂所在地，可能有非常坚固的防御。第1战斗团中的陆军第7骑兵团2营也在一路推进后开始向西南方向迂回，基本完成了对朱拉恩区的包围;海军陆战队员由于侧重逐房清剿，因此推进速度稍慢于陆军部队。同日，伊拉克临时政府总理阿拉维赶往费卢杰营，对在那里的伊军发表讲话;临时政府中的最大逊尼派政党“伊拉克伊斯兰党”宣布退出临时政府;而主要由逊尼派人士组成的“穆斯林学者联盟”也称代表全国3000座清真寺抵制即将于2005年1月举行的大选;伊拉克临时政府总理阿拉维的三个亲戚在该日被武装分子绑架，武装分子威胁称如果不停止进攻费卢杰将杀害人质。
11月10日，美军已经攻占了全城超过一半的地区，拿下了包括市长办公室、一个商业中心、几处重要的清真寺和基础设施在内的多个目标。其中伊拉克陆军第3干预旅第5营与美军一起夺取了塔菲克清真寺，伊拉克快速反应部队和伊拉克第1干预旅第2营则和美军拿下了希德拉清真寺，美伊联军在经过一场激烈战斗后还一同夺取了穆罕马迪亚清真寺，这个清真寺具有极高的战略价值，因为这里一度被武装分子用来作为指挥中心。此外，美伊联军基本完成了在城市西北部朱拉恩区的作战，这个区密布住房和狭窄的街道，联军原先预计将爆发激烈战斗，但实际只遇到了相对较弱的抵抗;当日结束时，美军将朱拉恩区的控制权转交伊军。在通过贯穿费卢杰的10号公路时美军也没有遭到什么抵抗;这表明绝大多数武装分子或者已经躲向了城南地区或者偃旗息鼓想伺机逃出城去。因此美军及时进行了战略调整，原计划打算在城北与武装分子经过激战后将武装分子赶往10号公路，并让武装分子顺着10号公路逃往城西大桥附近，落入那里埋伏的联军口袋;但当美军意识到武装分子大多逃往城南地区后，决定采用第二套方案，即所有部队继续南下，把武装分子赶往在城南设防的骑1师第2旅的口袋中。美军还夺取了两个堆满武器、弹药和路边炸弹部件的加工厂。美军驻伊拉克最高司令乔治-凯希将军称在费卢杰市中心区域武装分子可能会开辟布满简易爆炸装置的雷场，在突破武装分子的外围阵地突入城市中心时美军势必将遇到不少困难。一些参战的美军报告称发现有武装分子从清真寺内向他们开火，甚至有妇女和儿童向美军开枪射击。在这天的战斗中，陆军第2团第2营A连3排的一个班在推进中遭到6-8名武装分子的攻击，武装分子占据了有利位置用，美军被压制在一条小巷内无法动弹;这时来自另一班的贝拉维尔军士带着一名机枪手赶去支援，成功压制住了武装分子为友军解了围。随后贝拉维尔召唤一辆布莱德利战车对目标建筑进行了射击，然后他安排两名士兵在门口把守，自己则带着一名机枪手进屋检查，一名随军采访的《时代》杂志记者米歇尔-威尔也坚持和他一起进屋，他边跑边给贝拉维尔鼓劲：“这就像在硫磺岛上夺取敌人的机枪阵地，太难以置信了，你能行，我相信你!”进屋后三人立即遭到了武装分子的射击，贝拉维尔的机枪手肩膀中弹负伤，贝拉维尔命令他和威尔先撤出去。随后贝拉维尔孤身一人在屋内与武装分子作战，到最后甚至举起武装分子的AK47射击;他先后打死4人打伤1人，自己也多处负伤。贝拉维尔因此被授予银星勋章。
11月11日，美军战线左翼的第1步兵师第2步兵团第2营开始全力攻击费卢杰城东的工业区，2营的士兵于当天下午越过10号公路，立即就发现工业区内的武装分子比城北的更有经验装备也更好(城北的武装分子大多是当地人和原费卢杰旅的士兵，工业区的武装分子几乎都是外国人);这些外国武装分子会在建筑的外墙下挖出与建筑内部相通的蜘蛛洞，当美军从正面攻入建筑时，武装分子往往就从这些蜘蛛洞绕到建筑外从美军背后发起攻击;武装分子还试图利用工业区内错综复杂的巷道渗透进美军防线，但被美军用M203榴弹发射器和50口径机枪给击退。激战至晚上8点，美军已经穿越工业区推进至工业区的最南端(美军把这里定为海瑟线);22：30分，2营继续进攻，在穿越一片数百米宽的开阔地后进入费卢杰东南角的苏哈达区，这里的建筑密度要比城北稀疏不少;到11月12日05：30点时，2营已经抵达海瑟线以南1500米处的杰纳线。在这天的战斗中，联军发现了武装分子关押人质的房屋，这里曾被伊拉克军官称为“屠杀屋”;在屋子里美军发现了黑色囚服、摄像机、电脑等设备;美军同时还解救了两名人质：一名伊拉克人和一名叙利亚籍司机;那名伊拉克人的绑架者是来自叙利亚的武装分子，因此当美军解救他时他还以为自己是待在叙利亚。同日，两架美军超级眼镜蛇直升机在费卢杰执行任务时被地面炮火击中在城外迫降，飞行员获救。随着战斗的逐渐减弱，联军估计将在48小时内全部夺取费卢杰，之后则需要数周时间对城内残余武装分子进行清剿。美军官方在11月11日对外宣布，截止该日，在费卢杰战斗中已经有至少18名美军和5名伊军战死，164名美伊军受伤，击毙武装分子约600人。
11月12日，美军称已经控制全城超过80%的地区，武装分子被压缩在城南地区。有300人一个清真寺走出向美军投降，美军称这批人中有不少是平民，但需要进一步审查才能确认。同日，美国陆军第7骑兵团第2营沿着10号公路穿越城东的工业区，加入了城市东南角里萨拉区、纳扎尔区和杰拜尔区的战斗;伊军第1干预旅第1营在朱拉恩区与残余的武装分子展开激烈交火。当日伊拉克红星月会对外形容费卢杰的情况是“大灾难”，称该组织向联军请求能给城内派遣医疗救护队，但联军不予答复;伊拉克政府称伊政府已经组织了由14辆卡车组成的医疗和重建小组赶赴费卢杰，将于11月13日抵达。 在当日的战斗中，美军发现武装分子采用了新的战术：陆战8团1营B连的士兵在清剿过程中发现前方有数名身着伊军士兵军服的人向他们走来，然而靠近后对方却突然开火，导致1名美军当场身亡。武装分子还组织穿自杀背心的人弹向美军发起攻击，美军在打死人弹后必须立即将自杀背心引爆，否则尸体上的自杀背心会被武装分子解下继续使用。
11月13日，美军称已经占领了绝大多数城区，正逐房进行搜查。同一天，伊拉克国家安全顾问称有超过1000名武装分子被打死，200多人被捕。伊临时政府总理阿拉维宣布“费卢杰已被解放”。在该日，第2步兵团2营A连的连长希恩-西姆斯上尉在工业区的逐屋清剿中阵亡。当时A连的士兵在11月12日清理完一栋建筑，连长西姆斯打算在这栋建筑的顶楼建立一个前线观察点;当他进入这栋建筑时他询问手下是否已经检查仔细，手下回答没有问题;然而这栋建筑的墙角挖有一个蜘蛛洞，一个武装分子在美军对建筑检查完毕后悄悄从这里爬了进去并藏在了楼上，西姆斯上楼时突然遭到了这个武装分子的射击而当场身亡;西姆斯是整个费卢杰战役中美军战死的最高级别军官。
同在13日，陆战1团3营的卡塞尔军士和军医米切尔在与战友们推进时发现有一名受伤的陆战队员倒在一栋建筑门口，而另有数名陆战队员正困在建筑内与里面的武装分子进行激战。卡塞尔和米切尔立即组织了一些人杀进了这栋建筑;他们发现建筑内密布楼梯和房间，先头进入的陆战队员正和武装分子在不同的房屋内混战，子弹和手雷不断从楼梯上和房屋内飞出。米切尔和卡塞尔立即兵分两路，冲向了不同的房间。军医米切尔在一个房间内发现了一名重伤的战友，立即对他进行紧急救治;卡塞尔则在准备进入一个房间时在门口差点和一个武装分子撞个满怀，卡塞尔抢先一步开枪将对手击倒，但随后从身旁的楼梯上射下一串的子弹和手雷，卡塞尔身中数枪且小腿被弹片炸伤，但仍然匍匐进入了房间，并将一名受重伤的战友尼科尔拖向了安全区域。正当卡塞尔在为尼科尔进行救治时，突然从房间外飞进一枚手榴弹，在其爆炸的一瞬间卡塞尔将尼科尔压在了身下，他本人的手臂、大腿、臀部均被炸伤。这时米切尔进屋增援，发现两人还均有意识，卡塞尔正手握一把9毫米手枪守着房门。当米切尔为两人治伤时，突然发现一名先前被射倒的武装分子正挣扎着爬向地板上的步枪，米切尔立即起身用军刀刺死了他。45分钟后三人被战友救出：卡塞尔身中7枪失血达60%，但最终被救活;尼科尔失去了一条腿;而米切尔则负了弹片伤。卡塞尔和米切尔均被授予海军十字勋章。
