就在昝萬壽攻打敘州之時，瀘州城的戰局正在發生重大變化。俞興雖然為人極為貪腐但作戰卻也有謀略，加之此次調集了不少川北和川東宋軍精銳參戰，人數近二萬餘人。而劉整所轄的潼川府路雖然名義上有二萬多兵卒，但有相當部分駐屯在各州縣，僅在敘州和長寧軍被霹靂軍消滅收編的便有五千餘人，在神臂城的駐軍隻不過三千人。劉整雖然驍勇善戰，但俞興所率之軍不管是人數還是戰力都遠超過他，要不是神臂城易守難攻，他早已兵敗身死。劉整隻得一麵苦苦支撐，一派派死士潛出城，前往簡州向劉黑馬求救。不惜代價援救劉整，是忽必烈親自下達的命令，加之兒子劉元振此時正在神臂城中協助守城，劉黑馬當然是全力以赴。
在劉黑馬的不斷催促下，紐璘儘起大軍赴援瀘州，其旗下共有三千騎兵、五千蒙古漢軍步兵和七千新附軍，聲勢十分浩大。這些軍力除了紐璘本部兵力之外，其餘來自劉黑馬和百家奴，甚至還有不少從川北和川東之地。因為蒙軍水軍孱弱，紐璘並不敢走糧草輜重運輸更方便的水路，隻得走行軍更為緩慢的陸路。“救急如急火”，麵對來自簡州的不斷催促和瀘州方向一陣緊一陣的報急，他便派了手下的大將失裡答率二千人騎兵作為先鋒，急速赴援神臂城。
俞興得知紐璘軍來援消息後，一麵派都統張桂和金文德率軍駐守簡州通往瀘州官道上的老鼠隘，以擋來援蒙軍，另一方麵則命人急攻神臂城。神臂城三麵環水岸壁陡峭，隻有東門地勢平坦適合攻城。在數百架投石機和弩炮的轟擊之下，一時間矢石亂飛守軍傷亡慘重。宋軍最接近破城的一次，是已攻陷了東門的三重城門，卻在剛突入城中之時，被劉整和劉元振率親兵隊擊退。要說這兩人也是悍勇，全身負傷多處仍死戰不退。眼見主將如此守軍霎間士氣大漲，一個反衝鋒將宋軍逐離，重新奪回了東門。
老鼠隘雖然易守難攻，卻並非簡、資兩州至神臂城的唯一道路。劉整投降之後，其駐守富順監的心腹也跟隨其降了蒙軍，在這些漢奸的帶領下，失裡答派人通過小道繞過了老鼠隘，突然出現在關隘的後方。猝不及防之下駐守的宋軍大敗，張桂和金文德力竭戰死。得知老鼠隘失陷的俞興大驚，急忙抽調都統屯達前去阻擊，憑借著地勢之利險險將蒙軍擋住，雙方從早上僵持到下午，但宋軍也日益頹勢。俞興無可奈何，隻得繼續從圍困神臂城之中抽調人馬前去援助屯達。宋軍兵馬調動讓精於戰陣的劉整嗅到了戰機，他趁著宋軍調動兵馬的混亂之時，抽調精銳士兵從暗道出城，突襲東門圍城的宋軍後方，自己則儘率城中兵馬從正麵衝擊圍城的宋軍。
猝不及防之下圍困神臂城的宋軍大潰，俞興見勢不妙便在親兵的簇擁下奪了岸邊的小船逃奔南岸的黃市營壘。宋軍兵卒見主帥逃跑，也紛紛四散而逃。正在與失裡答激戰的都統屯達聽聞俞興已逃，竟然也丟下部眾奪路而逃，其一路狂奔到江邊見已無船隻，情急之下便將座騎推入水中，並抓住戰馬的尾巴浮渡到江南岸。所謂“兵敗如山倒”，眼見主帥和軍將皆渡過逃跑，宋軍士兵也紛紛奪路而逃，並在追來的蒙古騎兵逼迫下跳入水中，大部分溺死在江中。俞興逃回重慶後清點殘兵，發現自己帶去二萬兵卒回來的隻有三千餘人。