10月2日，日军一〇六师团后续部队全部到达万家岭一线，与此同时，薛岳所调集的十二个师也陆续聚拢于以万家岭为中心的战场，并对日军形成包围。
在这个范围仅有十几平方公里的包围圈内，除了几座小村庄外，全部都是矮山丛林。五十一师据守的张古山位于万家岭附近，乃是一座仅有三十米高的小山丘，但防守难度与其高度正好成反比：此处地形复杂，灌木丛生，不利于观察和射击的展开。王耀武决定兵分两部，由一五一旅占据制高点及通往南昌的路口，由一五三旅在东侧进行策应，顺带与五十八师阵地相衔接。
无论是张古山的五十一师，还是万家岭的五十八师，当天都没有遭到日军的大举进攻，五十一师先头部队虽曾在张古山投入战斗，但仅仅是小范围和小规模的接战。
表面的风平浪静，常常是暴风雨即将到来的前兆。日军一〇六师团只带了六天的口粮，同时弹药也严重不足，以每支步枪配弹二百发计，即便不考虑六天以后的事，每天最多也只能消耗三十多发。
一方面是自己虚弱的内囊逐渐暴露出来，另一方面是看到已经陷入了对方的包围圈，一〇六师团有些发急，他们急忙通过电报向第十一军进行报告。
第十一军总部闻讯大吃一惊。实际上，就在一〇六师团进犯万家岭的同时，瑞昌线上的日军二十七师团已奉命东援，以接应一〇六师团。只是薛岳早已料到这一着，提前便派兵在二十七师团必经的麒麟峰设防堵截。二十七师团屡攻麒麟峰无果，只得怏怏而退。
没有别的办法，只有靠一〇六师团自己突围了。10月3日，一〇六师团以主力阵容向五十一师发起进攻，重点在一五一旅正面，意图相当明显，就是企图从这里撕开南下的口子。
从拂晓至黄昏，一五一旅遭到了十余次猛扑，道旁的每一座山头都经过殊死争夺。五十一师当时的装备并不好，官兵所持武器除少数中正式步枪外，绝大部队都是汉阳造，而且还是汉阳造里最老的一种，即俗称的“老套筒”，枪管是双层的，握在手上感觉又重又笨。另外，轻重机枪也很少，每团仅两三挺重机枪。
手榴弹加上不多的轻重机枪，这样低的火力配置当然很难完全抵挡住日军的大规模迅猛冲锋，一旦有日军涌入阵地，肉搏战便在所难免。一五一旅与敌肉搏数次，白刃相接处，喊杀声和刺刀碰撞时的铿锵声响成一片。
一五一旅也算是见过世面，然而这次战斗的剧烈程度，是他们从来没有经历过的。旅长周志道亲自赶到最前线的山头进行指挥，战至午后，因伤亡过重，连周志道身边的勤务兵都加入了战斗。
在七十四军，一旦仗打到关键时候，连排长以上军官都要亲自端起机枪射击和参与投弹，所以军官的伤亡也就特别大。激战中，三〇一团团长常孝德身负重伤，营长胡雄也受了伤，连排长负伤的更多，在有的连里，排一级军官均已伤亡，二营的胡润生连便是这种情况。
胡润生手下的三个排长都负了伤，所部只剩下三个班长和四十多个兵，他本人的左手也挂了彩。尽管如此，看到日军不断从正面冲来，胡润生仍表现得异常坚毅沉着，他一面进行指挥，一面亲自端着机枪向敌人扫射，该连阵地始终未落入敌手。
在日军的最后一次进攻被挫败后，山上山下已是尸横遍野，士兵们的鲜血染遍了周围的山石和土地。
当天全师到达万家岭的五十八师开始压缩包围圈，晚上12点，三四八团以奇袭的方式突入了日军在万家岭的阵地。一场激烈的近身肉搏战随即展开。于是万家岭上的遗存物，除了捡不完的子弹壳外，便多出了难以计数的刺刀鞘。在三个小时刺刀见红的白刃搏杀之后，五百余名日本兵带着血窟窿倒在了山岭之上，三四八团成功地占领了箭炉苏以西高地。
新的高地在防守上并不占有优势，此处受到万家岭制高点及西侧高地日军的俯射，但三四八团上来了就没打算再退回去，日军反攻七八次，每次都只能无功而返。
从10月3日起，日军一〇六师团的后勤给养已呈现出严重不足，尽管日军第十一军采取了飞机空投粮食和弹药的办法，然而对解决困境而言，不过是杯水车薪罢了。张古山突围的失败和万家岭部分高地的丧失，更是犹如雪上加霜，让这个师团惶惶不可终日。
呛人的硝烟味
眼看即将沉入水底，日军一〇六师团要伸手抓一根救命稻草的心情非常迫切。
还是张古山。一〇六师团决定绕开正面，从侧面对中方的一五一旅进行迂回包抄，但是没想到和一五三旅的防御阵地碰个正着。
既然这里也有中国部队驻守，只有靠硬撞了。10月4日拂晓，日军出动约一个联队的兵力，向一五三旅三〇六团发起猛攻。
战斗越打越激烈，到中午时候，三〇六团已有两名营长负伤，三名连长阵亡，余下官兵伤亡过半。该团战斗力也由此大损，唯一还能坚持作战的仅剩下一个残缺不全的三营。
张古山地形复杂，战线较宽，没有哪一个区域不需要防守，三营堵住这里堵不住那里，渐显不支之势。王耀武闻报，赶紧让师部准备后撤，以免日军迂回成功，把五十一师的指挥核心给抄掉。
此时李天霞已被免去一五三旅旅长一职，专任五十一师副师长，旅长职务由张灵甫升任。见情况紧急，张灵甫亲自赶到前线督战，发现战斗兵员不足，他就将各营残兵和杂役兵集中起来，由一名营附统带，交给三营使用。有了这部分多出来的人手，三营才得以堵住敌人的进攻，战局也再次得以稳定。
日军一〇六师团连续对五十一师所在的张古山阵地猛打猛冲，不仅没有捞到好果子吃，还遭到极大伤亡，第二天只得掉转方向，朝五十八师所扼守的万家岭防区进行突破。
10月5日，日军一〇六师团以飞机为掩护对五十八师阵地发起进攻。也就从这一天起，在日军第十一军总部的调度下，日机每天都要赶来万家岭轰炸扫射，为一〇六师团助阵打气。
中国前线部队没有防空设施，所以日机敢于低飞，飞机每每都是擦着树梢飞过去，其飞行员更是张狂到一边侧飞，一边从驾驶舱里伸出头来，以观察地面目标。当时防空的唯一办法，就是设置防空监视哨，监视哨一看到飞机或听到飞机的轰鸣声，立即吹哨子报警，但这种单纯依赖肉眼和耳朵来观察的办法并不是很有效。最常见的情况是，哨音刚落，人还没到达隐蔽场所，日机已飞临头顶。
中方的战斗指挥所频繁地遭到日机袭击。有的幕僚人员来不及跑出指挥所，只好姑且躲到床板下面，结果日机一阵扫射，作为指挥所的小茅屋被打成了漏勺，满屋子都是呛人的硝烟味。
指挥所尚且如此，前沿阵地更不用说了，只有在两军相距较近的情况下，日机才不敢随便投弹和扫射。五十八师一七二旅充分利用这段空隙，以极其顽强的防御顶住日军的多次猛攻，确保了阵地牢牢掌握在自己手里。
虽然日军一〇六师团仍旧没能从万家岭突得出去，但是他们还是从当天的作战中得到了一点启发。
从徐州会战开始，日军就大量采用毒气战的方式来突破守军防线。为了掩人耳目，他们内部称之为“特种战”，毒气弹也不叫毒气弹，叫“特种烟”，施放毒气弹的迫击炮筒（毒气筒）则是“特种发烟筒”。
日军一〇六师团在出发时没有忘记携带毒气装备，战后日军阵地上的毒气筒和防毒面具俯拾皆是。不过要采用这种阴狠战术也有许多限制条件，其中极为关键的一条就是使用者需掌握当地的气象和地理状况，若是风向或地形不对，很可能弄巧成拙，让自家部队先遭殃。
一〇六师团在万家岭显然缺乏这一条件，因此毒气弹没能派到太大用场，这时候他们就不得不更多地依靠飞机来帮忙。
10月6日，日机参战更加活跃，并把空袭重点集中在张古山，以配合两千余名日军步兵发起的攻击。张古山的表面差不多已被炸弹和炮弹给刨平了，要找到一块可供隐蔽的树木都很不容易，加之对空袭的准备不足，很多冒死抵抗的官兵当场罹难，张古山北部阵地也由此陷落。
攻占张古山，让日军一〇六师团在困顿中产生出一线新的希望。如果他们能够再把五十八师的万家岭防区给拿下来，战局无疑将发生重大转折，没准还能翻盘呢。
雪中送炭
翻盘，翻盘，翻盘。同一天，日军一〇六师团以步空炮联合的方式，向五十八师阵地发起“锥形突击”。
日机在张古山的作用，并没有能够在万家岭得到复制。五十八师已有防空袭的准备，日机一出现，官兵便找树木和壕沟进行隐蔽，等日军步兵接近，日机无法投弹时，再进入阵地反击。
阿特丽在进行采访时，发现负责护送的中国士兵的步伐都非常快。在跟着他们爬过许多山头后，阿特丽不得不承认：“中国士兵比世界上任何国家的士兵都善于走路。”某种程度上，这也是被逼出来的，因为如果动作不快，他们就无法适应这种没有防空保障的山地战。
五十八师真正面临的问题，是人快打光了！
自整师投入万家岭作战以来，五十八师已毙伤日军三千五百多人，但全师也伤亡殆尽，不少连队的连排长已全部阵亡，有战斗力的士兵仅剩五百人。
五十八师把伙夫、马夫等勤杂人员都派上了第一线，仍然不敷使用。眼看日军将要突破己方阵地，在万不得已的情况下，师长冯圣法只得向军长俞济时求救，可是俞济时手里的预备队也用光了，唯一能够使用的是军警卫营。
当时为便于观察战场变化和调整部署，军师指挥所距离前线都很近，这在无形中也增加了指挥机关遇袭甚至被吞掉的危险。万家岭战役开始时，日军一〇六师团派出的游击分队就曾渗入到粤军的军团司令部附近，并从数百米外发起袭击，“流弹散布四周”。
俞济时知道一旦警卫营离开，军部可能面临莫测危险，但他还是咬牙把警卫营的两个连拨给了冯圣法，只留下一个班警卫军部。
两个警卫连有二百名生龙活虎的士兵，对前线来说犹如雪中送炭。经过一番恶战，五十八师终于守住了阵地。
至此，日军一〇六师团也已经伤亡过半，无力继续向外拓展突破范围，只得就地转入防御，固守待援。
一〇六师团要援兵，日军第十一军却拿不出援兵。除了二十七师团在瑞武路被截外，西援的一〇一师团也在德星线上被堵，谁都过不来。负责策划此次行动的日军第十一军作战课长宫崎周一急得如同热锅上的蚂蚁，但是除了抱怨一〇六师团攻击乏力外，一时之间他也想不出更好的援救办法。
宫崎事后承认，在万家岭战役中，自己对一〇六师团负有使用不当的责任，不应该派这支日军中的二流师团担负奇袭之责。言下之意，如果再给一次机会，他绝不敢端着隔夜剩饭就出来卖。
其实宫崎还忽略了另外一个方面，那就是奇袭战的利有多大，风险就有多大。当一〇六师团孤军深入至瑞昌、南浔之间时，它就已经踏上了险途——瑞昌、南浔两线中国军队只要一转身，就可以将突袭者予以反包围，换句话说，即便宫崎当时派出的是一个一流师团，最后袭击成功的可能性至多也只是五五开。
这不是一个你随随便便地出来兜上一圈，就能轻而易举地捡拾到便宜和幸运的时代了。此时距离日军一〇六师团从马回岭出发，已逾十天，本就携带不多的粮食弹药，即使再省再抠，也已所剩无几，只能单纯依赖飞机空投补给品。
在兰封战役中，被豫东兵团包围的日军第十四师团也曾靠天吃饭，用飞机空投的粮食和弹药度过危机。可是万家岭与中原不同，这里的地形条件较为复杂，日机推测的位置与一〇六师团实际地点之间有十里的误差，所以空投物资常常到不了需要者手中。
中国军队观察到这一情况后，每当日机空投，就在白布中间贴上红布圆心，用这种冒充的“膏药旗”，引诱日机将补给品投到己方阵地上。如此一来，日军一〇六师团的日子便更加苦不堪言，连其指挥中枢都面临着断粮危机，师团司令部人员已经近三日未得一饱。一般士兵更是一个个都成了皮包骨头，如同俗语说的“从正面看像铅笔，从侧面看像挂历”。
攻守态势上，尽管日军一〇六师团夺得了张古山，但仅限于内圈，在外圈，重叠扑上的中国军队已形成四层包围。一个疲困不堪的瓮中之鳖，可以恰如其分地形容现在一〇六师团的处境。
见时机已基本成熟，10月7日，薛岳下令从四面缩小包围圈，对日军一〇六师团发起全线总攻。其中，七十四军主要负责南面的攻击，任务是收复张古山及其附近的长岭。
俞济时将总攻任务交给了五十一师。王耀武在战前召开会议，研究进攻方案。会上你一言我一语，一个个听下来，一五三旅旅长张灵甫的话打动了王耀武。
张灵甫认为如果单从正面仰攻的话，困难多，伤亡大，不如效仿《三国演义》中邓艾偷越阴平的战例，利用后山绝壁，组织突击队奇袭敌军背面。
王耀武采纳了张灵甫的计策。张灵甫从三〇五团中挑出五百精兵，作为实施奇袭的突击队。为了增加他的胜算，王耀武还把三〇二团增配给一五三旅，由张灵甫指挥三个团实施主攻，缺了一个团的一五一旅则改为预备队。
猛张飞
晚上七点，突击队轻装疾进，从无人迹的崎岖峡谷中穿过，对长岭北部高地实施突袭。长岭北部驻守着五个中队的日军，但是晚上他们看不清对方有多少人，只知道忽然从后面涌上来许多中国兵，一时阵脚大乱。
正面主攻部队趁势发动猛攻，通过两面夹击，高地上的六百多日军被迅速歼灭。
