刘源清兵既至大同，就要搞出动作来。兵驻阳和后，便派人在大同城内张贴告示：“五堡之变，朝廷姑从宽处，乃复稔恶不悛，以戕杀主帅，天讨所宜加者。”见到告示后，曾经参与五堡变乱的士兵们立即慌乱起来，纷纷议论： “这次恐怕还要追究五堡之变的责任了。”此时，大同城内守臣潘仿等已经捉拿参与变乱的兵卒十余人。见此情形，巡抚潘仿等，一面令佥事孙允中押解已经抓获的罪犯送往阳和，一面向明廷奏报，首恶已经抓获，请暂缓进兵。但事出仓皇，奏报中没有列及总制刘源清、提督郤永的姓名，刘源清感觉不快。
孙允中将人犯押解至阳和后，向总督请示：“罪人既得，兵可不血刃也。”请求暂停进兵，可以考虑用其他办法，抓获少数剩余叛乱祸首。孙允中同时还建议：“五堡兵变的事，朝廷已经做过处分，请不要再提起了，以免生乱。”刘源清说：“甲申之役，胡公以兵不临城，致言者纷纷，吾不可更袭前辙。”下令将孙允中送来的囚徒交给御史苏佑审讯，派遣参将赵刚等率士兵三百余人进入大同城内抓捕乱党。潘仿发现赵刚等所捕的士兵，多数是协助官府擒贼有功者，他们是受参与叛乱的士兵们诬陷而被捕。
赵刚的乱抓乱捕，造成了极大地混乱。晚上，镇兵们开始组织起来，拒守城内各个巷口，不放抓捕的人进入。这个时候，刘源清大概还嫌乱的不够，派遣孙允中进入城内传达命令，令大同镇城士兵，明天全部缴械，迎接朝廷派来的大军。这一命令，无疑是给刚刚燃烧起来的干柴上浇了一桶油。 “天兵将要屠城”的传言立刻传到了大同城的大街小巷，城中混乱喧哗不断。晚上，城中再次群起为乱。潘仿命孙允中率诸将抓获并斩首二十多人，才将乱势压下，并责令余众解散。
刘源清认定，已经在事变前被明廷解职的朱振是这次兵变的主谋，下令招朱振来，朱振到达阳和后，立即受到责难，不知是出于畏惧还是想要证明自己的清白，朱振于当晚服毒自杀。朱振这个人，说来也奇怪，竟会两次与大同镇的兵变有缘。朱振原为大同镇总兵，因贪腐遭到弹劾，免去总兵职，并被下狱。不料，朱振入狱期间，大同发生了第一次兵变，乱兵杀死巡抚张文锦，并从狱中将朱振劫出，拥立他为头目。结果，朱振因协助明廷平息大同兵变有功，被免除罪责，并重新任命为大同镇总兵。这一次，朱振再次被乱军拥立，最终竟至服毒自杀。
第二天，刘源清命官军从西、南二路兵围大同城下，沿途斩关杀将，并大肆杀戮和抢掠，城外横尸枕藉。刘源清的行径立刻在大同镇城内引起强烈的反弹。曾经经历过五堡兵变的士兵们，原本期望着这次事变能够尽快解决，现在却失望了。他们确信，明军将要屠城，血洗大同，便一起加入抗拒的队伍里。乱兵们强悍蛮横，已经无法遏制。他们将城门封死，拒绝官军入城。中午，郄永师也到达大同东门外，围困东关。遭到城内开门迎击，死伤数十人。此时，大同巡抚潘仿、佥事孙允中尚在城内，试图阻止乱兵的行动，但已经无济于事。乱兵们说：“城外死尸已经阻塞道路了，还想欺骗我们？你不会是想麻痹我们，然后让官军放手洗城吧？”边说边手操兵器围拢上来。孙允中立即陪笑说：“皇上圣明，不会屠城的，我的老母、妻子也在城内，为无缝方管 舜冶金属什么要欺骗你们呢？”见此情形，一位上了年岁的老兵立即上前阻止：“这次兵祸，其实也连累了佥事，不要杀佥事，免得增加罪名。”
巡抚潘仿与佥事孙允中商量说：“刘源清等贪功，造成激变，必须立即奏明皇上，请朝廷定夺，否则将会酿成更大的灾祸。”于是，就将总制及将士们贪功妄杀，激变镇兵的情况写成奏状，交予五六人，分道走小路送出，上报朝廷。这时，刘源清已经将各路关口封堵，严防大同镇城的奏疏传到明廷。在将大同镇城围拢后，刘源清向明廷上书：“叛军做恶，拒绝王师，抚镇、郎中、佥事等都是首恶，抚臣、关防等也都在叛军中。”请求进一步行动。此时，刘源清到达聚落驿，孙允中从城墙上用绳子缒下，赶赴源清大帐，请求停止攻城，不要妄杀无故。刘源清回答说：“不要因为你的母亲、妻子都在城内，就为乱贼说情，再说，连你也抓起来。”无奈，孙允中只好暂避怀仁。
到此时，双方对峙已成事实，官军攻占大同四关，日夜围困。城内则将前参将黄镇、指挥马升、杨麟等请出，奉为将领。同时，将城门堵死，用水浇灌城墙。此时，已进入农历十一月，水浇到城墙上立即结了一层冰，滑不可攀。刘源清一面围城、攻城，一面向明廷连上奏疏：“城中包括王室在内的所有官员、文人等衣冠之族都已从贼，有负朝廷，是天要灭此城啊！”并请增兵至五万。此时，关于大同镇事态的奏疏，只有刘源清的一面之词。兵部尚书王宪接到奏疏，立即奏明皇上，选调官军一万二千人赶赴大同。同时，将大同现任官员潘仿等一律免职，巡抚一职改由樊继祖出任。