10月，第1兵团将敌压缩在三四平方公里的3个村子里，从四面层层包围，发起猛攻。然后薛岳命各师挑选奋勇队，采分进合击战术，由两翼围歼万家岭日军不顾敌机轰炸，奋勇杀敌。双方为每一个山头，都展开了激烈的争夺战。扁担山一役，阵地易手了五次之多。74军突击队更是血战5小时，余张古山主阵地展开激烈的攻防战；当日夜间战斗进入最高潮，日军106师团更是自师团长以下全体动员，拼命突围！日军至第二日早晨，战斗方告一段落。

10月5、6日两日，第1兵团主力第74军(即后来的号称国民党军五大主力之一的整编第74师的前身)等部在长岭、背溪街、张古山、狮子岩等处与日军第106师团激战。6日，薛岳认为歼灭当面日军的时机已到，下达了对敌第106师团展开总攻击的作战命令，当天下午，总攻击开始打响，第66军以第195师及160师向石堡山攻击前进。74军第51师在师长王耀武指挥下，向日军占据的长岭北端和张古山制高点发起了数度攻击，第305团团长张灵甫率一支精干的小部队，从日军疏于防范的后山绝壁上进攻，经过白刃格斗，占领张古山主阵地。拂晓后，日军拼力反扑，一度夺回阵地。张灵甫率部死战，腿部负伤，仍不下火线，张古山顶一时尸山血海。激战至10月9日，在中国军队的打击下，日军第106师团损失惨重，特别是日军基层军官伤亡惨重，华中派遣军司令官畑俊六大将亲自组织向万家岭地区空投了200多名联队长以下军官，以加强力量，这在整个中国抗日战争中是绝无仅有的。因此阵地对日军突围至关重要，以飞机重炮攻击，51师只得退下，入夜又夺回，经五昼夜反复争夺，张灵甫带伤坚持战斗，终于牢牢控制该阵地。这个争夺战，日军仅遗留阵前尸体就达四千多具！！可以说，没有张古山争夺战的胜利，就不可能有万家岭大捷。同日，蒋介石命令薛岳，务必在10月9日24时前全歼该敌，结束战斗，作为给“双十节”的献礼。15时，薛岳命令各部队选拔勇壮士兵200至500人组成奋勇队，担任先头突击。同时各部长官一律靠前指挥，薛岳自己也亲临一线。18时，炮火准备。19时，奋勇队出击，各主力部队紧随其后，向箭炉苏、万家岭、田步苏、雷鸣鼓刘、杨家山等地全线攻击。各部队前赴后继，踏尸猛冲。经一夜血战，106师团的防御阵地彻底崩溃。激战至10日晨，第66 军收复万家岭、田步苏，第4军收复大金山西南高地和箭炉苏以东高地，第74军收复张古山，第91师收复杨家山东北无名村，第142师收复杨家山北端高地。战斗中，第4军前卫突击队曾突至万家岭第106师团司令部附近不过百米，因天色太黑，加之自身也伤亡重大，未能及时发觉松浦中将。据战役结束后一名日俘供认：“几次攻至师团部附近，司令部勤务人员，都全部出动参加战斗，师团长手中也持枪了。如果你们坚决前进100米，师团长就被俘或者切腹了。”未能生擒松浦淳六郎，成为此次会战中最大的遗憾。11日，第106师团残部千退守雷鸣鼓刘、石马坑刘、桶汉傅、松树熊等不到5平方公里的地区内固守待援。冈村宁次严令各部不惜代价，增援万家岭。鉴于基本歼灭106师团的主要目的已经达到，而各部队伤亡均极惨重，薛岳命令各部撤出战斗，全军退守永丰桥、郭背山、柘林一线。随后，薛岳电禀武汉军委会：“此次敌穿插迂回作战之企图虽遭挫折，但我集中围攻，未将该敌悉歼灭，至为痛惜。”

万家岭之战，虽然在最后的关头未能组织强大的力量，彻底歼灭106师团，但中国军队在此次战役中表现出的机动灵活、组织严密的特点，和中国士兵英勇顽强、不怕牺牲的精神，大大震惊了日军上下、朝野内外和国际社会。而日军整整一个师团几遭灭顶之灾，在日本陆军历史上从未有过。106师团遭此歼灭性打击，已彻底失去战斗能力。一代名将叶挺将军如此评价万家岭战役：“万家岭大捷，挽洪都于垂危，作江汉之保障，并与平型关、台儿庄鼎足而三，盛名永垂不朽。” 各部队于7日开始总攻，10日结束战斗。除106师团有千余人逃逸之外，其余日军万余人全部被歼灭！其中俘虏300余人。这是中国军队全歼日军一个师团的战斗，而在整个武汉保卫战过程中，日军却未能全歼我军一个师。薛岳指挥的万家岭战役，取得辉煌胜利。而中国军队在整个武汉大会战期间，虽未能保住武汉地区，但实现了蒋介石预定的消灭敌军有生力量的目的。彻底粉碎了日寇企图把蒋政府降为地方政府的阴谋，奠定了持久抗战的基础。日本“发动攻略汉口之战，使其成为战争一决雌雄的最大机会”企图再度落空，日军自1937年7月中国抗战至1938年底，共伤亡14万余人，从此不得不陷入蒋介石“持久抗战”的泥沼里不能自拔，直至战败投降。

此役歼敌万余人，是抗日战争初期的一次重要胜利，亦为抗日战争中首次全歼日军一个师团的战斗，战果犹过于台儿庄。万家岭一役获胜也为武汉撤守争取了重要的时间。