Несмотря на то, что в районе Земо-Никози уже заканчивалось сосредоточение грузинской группировки для нового штурма города, российской разведке не удалось вскрыть намерения грузинской стороны. Поэтому, пользуясь тем, что Цхинвал находился в руках южноосетинского ополчения и объездная Зарская дорога оказалась свободна, командующий 58-й армией Северо-Кавказского военного округа генерал-лейтенант Анатолий Хрулев принял решение перебросить в город российский мотострелковый батальон, дойти до южного лагеря российских миротворцев, разблокировать его и занять оборону по южной окраине Цхинвала, ожидая подхода подкреплений. Около 14 часов дня часть батальонной тактической группы 135-го мотострелкового полка в составе второй и третьей рот 1-го мотострелкового батальона, вместе с самим Хрулевым и находившейся на трех бронетранспортерах оперативной группой штаба 58-й армии, начала выдвижение с позиции на Зарской дороге в сторону Цхинвала.
Одновременно грузинская сторона в 14.00 начала артподготовку перед повторной попыткой штурма города. Российская колонна еще на подступах к городу попала под обстрел, потеряла подбитой одну БМП и три грузовика ГАЗ-66 минометной батареи, но продолжила движение. На подходе к Цхинвалу, в районе села Тбет, колонна обнаружила два брошенных на дороге еще 8 августа грузинских танка, № 110 и № 125 и подорвала их. Около 15.00 она вошла в город с западной стороны. Одновременно с южной стороны, от села Никози, в город начали заходить грузинские части в составе 21-го и 41-го легких пехотных батальонов, отдельного легкого пехотного батальона, части танкового батальона 2-й пехотной бригады и прочих армейских подразделений.
На окраине города российская колонна столкнулась с разведывательной ротой 2-й грузинской бригады. Встреча стала неожиданностью как для российских, так и для грузинских войск, в последовавшем скоротечном бою на предельно близких дистанциях потери понесли обе стороны. В том числе был ранен командующий 58-й армией генерал Хрулев и несколько российских журналистов, ехавших вместе с ним. Грузинское подразделение, понеся потери, вышло из боя, а российская колонна продолжила движение по городу к Верхнему лагерю миротворцев.
В это время наступающие грузинские войска начали его новый штурм. Танки, подойдя на близкую дистанцию, начали расстреливать полуразрушенное здание казармы, в подвалах которого укрывалась основная часть личного состава миротворческого батальона. В здании возник пожар, подвалы оказались задымлены, что сильно осложнило положение российских войск в лагере.
В районе поселка Шанхай, уже на окраине города, всего в 400 метрах от лагеря миротворцев около 15.30 головная часть колонны 1-го батальона 135-го мотострелкового полка столкнулась с основными грузинскими силами, включающими танки, и сразу же потеряла четыре БМП подбитыми. Примерно четверть колонны сумела отступить из города, а остальная часть оказалась заблокированной в нем, была вынуждена занять круговую оборону и вести бой в окружении. Роты оказались раздроблены на взводы, ведшие бой по отдельности, под руководством младших командиров. Большую часть техники батальона удалось сохранить, отведя ее с улиц во дворы домов.
Около 15 часов дня недалеко от Джавы, в районе Гуфтинского моста, «дружественным огнем» российской зенитной самоходной установки ЗСУ-23-4 «Шилка», прикрывавшей Гуфтинский мост, был сбит штурмовик Су-25 из состава 368-го штурмового авиационного полка. Самолет упал недалеко от моста, у осетинского поселка Итрапис. Летчик майор Владимир Едаменко погиб.
На помощь блокированной колонне 1-го батальона 135-го мотострелкового полка в 15.30 начали выдвигаться подразделения российского армейского спецназа и рота чеченского батальона «Восток». Российская артиллерийская группировка и минометная батарея 1-го мотострелкового батальона 135-го мотострелкового полка открыли интенсивный огонь по грузинским войскам, российская штурмовая авиация была перенацелена на удары по грузинским войскам в окрестностях города.
В последовавшей дуэли артиллерийских группировок сторон российские артиллеристы понесли потери. Расположившиеся на удобном, но хорошо просматриваемом с грузинской стороны участке Зарской дороги у поселка Галуанта, они подверглись обстрелу. От осколочного ранения погиб командир самоходного орудия 2С3 «Акация» 693-го мотострелкового полка майор Тарасов, были разбиты скученные на дороге семь грузовиков одной из минометных батарей этого полка. При обстреле минометной батареи 135-го мотострелкового полка погибли сержанты Белоусов и Горьковой, еще несколько бойцов получили ранения. Тем не менее продолжающийся интенсивный огонь российской артиллерии с Зарской дороги, поддержанный огнем гаубиц и установок залпового огня с тыловых позиций у Джавы, сковал и подавил грузинскую группировку. Развернутые к этому времени артиллерийские корректировщики во взаимодействии с разведчиками, прорвавшимися в южный лагерь миротворцев ночью, обеспечили повышение эффективности российского артогня.