果然！当日下午十四时，薛岳就收到了蒋介石的命令，命其务必在十月九日二十四时前全歼该敌，结束战斗，作为给“双十节”的献礼，于是十五时，薛岳命令各部队选拔勇壮士二百至五百人组成奋勇队，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督战。
当晚十八时，经过中国军队的炮火准备，十九时整，十路奋勇队全面出击，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。
望着挺身而出的奋勇队官兵的慷慨赴死的壮举，高飞的主动请缨被薛岳直接拒绝了，还派遣了兵团警卫团监视其先遣部队的动向，薛岳绝对不能让高飞这支尚未正式成军的先遣队在自己中手出问题。
薛岳下令从各师中选派的精兵强将组成奋勇队，于当日晚十九时从敌后偷袭敌军，抢占制高点，两面进攻，十路奋勇队的总队长就是张灵甫，张古山的地势险要，对在山上凭险据守的日军极为有利，在这样的山势前，靠仰攻拿下山头是要付出极大伤亡代价。
由谁来担任主攻？王耀武再此之前曾在师部召集旅团长们讨论作战方案的时候，已是第五十一师所部第一五三旅少将旅长张灵甫主动请缨，讨论作战方案的时候，众人认为张古山地势险要，易守难攻，张灵甫拍案而起，大喝道众人称诸位看过《三国演义》，魏国大将邓艾为攻取成都，出蜀将之不意，带精兵暗渡阴平，飞越摩天岭，一举攻克了江油、涪城和成都！我军当可仿此战例，大军从正面进攻的同时，再挑选一批精兵强将，从人迹罕至的张古山背面进行偷袭，以收两面夹攻之效。
于是，张灵甫亲率一支突击队效法邓艾轻装出发，他们沿着后山绝壁攀木挂树，在黑暗中披荆斩棘，穿过艰险的深山峡谷，老林恶水，从日军疏于防范的张古山后山绝壁上进攻，飞夺张古山。
十路奋勇队中的九队在突击作战开始的十五分钟就全军覆没，要知道这九支奋勇队全部是由军官、士官与有经验的老兵组成的，王耀武为了掩护张灵甫的奇袭，也只能拼了血本吸引日军的注意力，张古山正面阵地上，进攻中的中国军队几乎是在踏着堆积如山的尸体在一寸一寸的前进。
少将旅长亲率敢死队进行决死突击，这在国军之中也是不多见的，正所谓一将拼命，万兵赴死！在张灵甫的激励下，奋勇队的队员争先恐后猛冲猛打，一举复克张古山。
而后，不甘失败的稻叶四郎为了最后的生机，直接越过冈村宁次请求畑俊六出动全部能够出动的作战飞机，并用炮弹最后所存无几的重炮狂轰滥炸，几乎将张古山夷为平地。
张灵甫则率部浴血死战，与日寇鏖战五天五夜，阵地得而复失、失而复得，反复拉锯，张灵甫亲抵前线操起机枪向日军射击，身中七块弹片，，鲜血直流染红军服依旧誓死不退下火线。
张古山的攻取封死了日军第一零六师团的最后退路，可以说张灵甫的死守为最终全歼该师团起到了至关重要的作用，张灵甫抱着战至最后一兵一弹的决心，与日军反复冲杀，最终守住了张古山主阵地，突围的日军残部全部被堵在了张古山下，稻叶四郎可谓是上天无路，入地无门！
各部队悍勇无畏，前赴后继，踏尸猛冲！一夜血战，日军第一零六师团的防御阵地彻底崩溃。
激战至十日清晨，第六十六军收复万家岭、田步苏，第四军收复大金山西南高地和箭炉苏以东高地，第七十四军收复张古山，第九十一师收复杨家山东北无名村，第一四二师收复杨家山北端高地。
战斗中，第四军前卫突击队突至万家岭第一零六师团司令部附近，自身也伤亡非常之重，但是全体官兵亦发扬有我无敌的作战精神，猛冲猛打，日军第一零六师团中将师团长稻叶四郎死于混战之中。
据战役结束后一名日俘供认：“中国曾经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，稻叶四郎师团长也持枪参加战斗，最后一支突如其来的中国军队突击队的出现，彻底的击垮了师团部最后的抵抗，战至中午第一零六师团残部千退守雷鸣鼓刘、石马坑刘、桶汉傅、松树熊等不到五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，天空中日军战机犹如飞蝗。
鉴于已经全歼日军第一零六师团主力，并且击毙其师团长稻叶四郎中将、第一零六师团参谋长秋山义隆大佐、步兵第一一一旅团旅团长山地恒少将、步兵第一三六旅团旅团长青木成一少将、步兵第一一三联队联队长田中圣道大佐、步兵第一二三联队联队长饭野贤大佐、步兵第一四五联队联队长长市川大佐等一百二十余名官佐被击毙于万家岭一役。
鉴于此次战役的主要目的已经达到，而各部队伤亡均极惨重，于是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，将敌突入之部队全面给予歼灭，开创成建制歼灭日军师团之先例。
历史上根据日本俘虏后来交代，当时只要国军再推进一百公尺，日军第一零六师团的松浦淳六郎师团长就只得剖腹了。
这差点成为八年抗战中唯一一次全歼日军一个师团的战例，但是差一点终归是差一点，而且现在指挥第一零六师团的并不是历史上的松浦淳六郎，而是骄横一时的稻叶四郎，而且高飞还干掉了畑俊六亲自组织的军官团空投支援。
在这样的结果之下，稻叶四郎所指挥的第一零六师团自然是在劫难逃！稻叶四郎本人身中数弹，日军第一零六师团遭到全歼，急匆匆赶来的日第二十七师团、第十六师团、第六师团唯一能够做的就是替第一零六师团的侵略者们收尸！
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