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新編第13師、新編第15師之一旅、第142師、第60師、預備第6師、第19師"；共計超過10萬人，"；斷行圍擊"；，在以第4軍正面阻擊106師團的同時，以其他部隊取四面包圍，向中心地帶分進合擊的戰法，務求一舉全殲來犯之敵。
10月1日至3日間，懵懂無知的日106師團在遭遇中方第4軍防禦陣地之後，拼死向前突擊，並調來飛機助戰，大有一副"；必欲鑽進口袋而後快"；的樣子。在組織正面阻擊的同時，各路中國軍隊迅速靠攏過來，包圍圈越收越緊。
經過10月5日、6日上午兩日與106師團的正面交戰之後，薛嶽於6日下午下達了合圍總攻命令。
10月7日午後，總攻陸續展開。各參戰部隊都奮勇向前，與敵死戰，山中各處殺聲震天。據一位參戰的中國軍人回憶，"；被困於萬家嶺之敵，抱困獸尤鬥之心，對我軍圍殲，頑強抵抗"；、"；戰鬥越打越激烈，每個山頭，每個村莊，反覆爭奪，一日而數易其手"；。
另一方面，日106師團親身經歷此戰的一名倖存者那須良輔後來在回憶中這樣寫到，"；雷鳴谷是周圍環山的狹小盆地，我們向這峽谷進軍。後來才知道，周圍的山中有數萬敵軍在等待我們"；、"；當我發現敵軍來襲時，我聽到令人恐怖的迫擊炮聲越過我的頭上在前面50米的地方爆炸了。炮彈擊中了馬群，馬群炸了窩般的在烽煙中亂衝胡撞。離開九江時有數千匹馬，到雷鳴谷，連一匹馬也沒有了。從第二天開始，我們的中隊就躲在水溝的土堆四周跟敵軍對峙。然而由於四周的山中都是敵人，子彈從四面八方飛過來"；。
在另外一份日軍遺失於戰場的陣中日記中有這樣的記載，"；前所未有的激戰，中隊、小隊長死亡很多，戰鬥仍在艱苦進行，與家人團聚的希望是困難的。"；
此戰中，時任51師第305團團長的張靈甫表現突出，先是帶領奇兵從絕壁而上突襲得手，後是帶傷堅持指揮戰鬥，堅決堵住了日軍突圍方向。萬家嶺戰鬥結束，張靈甫即被提升為旅長，此後扶搖直上，成為國民黨軍中“王牌中的王牌”74師師長。，
在岡村不斷的嚴厲要求下，10月10日之後，日第27師團、第17師團、第102旅團等在戰車大隊、炮兵聯隊的配合下持續向萬家嶺地區突進，中國軍隊外圍阻擊陣地承受的壓力越來越大。
鑑於106師團主力大部已被殲，預定作戰任務總體完成，同時自身傷亡也較大，急需補充休整以利後戰，薛嶽於10月13日向各部下達了撤出戰鬥的命令。
薛嶽在向軍事委員會上報的電報中說，"；此次敵穿插迂迴作戰之企圖雖遭挫折，但我集中圍攻，未將該敵悉殲滅，至為痛惜"；，但此戰幾乎予日軍整整一個師團以毀滅性打擊，殲敵萬餘，繳獲各型火炮近50門，輕重機槍超過200挺，另繳步槍數千支，運輸牲口數百，特別是生俘日軍官兵共一百多人。
萬家嶺大捷是武漢會戰中一個十分突出的作戰成果，當時對於激勵我軍民團結奮戰之心，沉重打擊日寇囂張氣焰意義重大。
10月12日日軍攻佔信陽。
在日軍已達成對武漢包圍的情況下，為儲存力量，中國軍隊不得不於10月25日棄守武漢。日軍26日佔領武昌、漢口，27日佔領漢陽。
武漢會戰共持續4個多月，陸海空立體展開，陣地戰、運動戰、殲滅戰、游擊戰、空中作戰、特種作戰等各種作戰樣式穿插其間。經過四個月的激戰，國軍空軍及海軍基本上被消滅。日軍雖然攻佔武漢，但是國軍之大部分主力仍然存在，而日軍反而被削弱，日本戰前之目的是在武漢作最後決戰、以消滅國軍的主力及結束戰爭的目的未能達成，除了在長沙附近的數次戰役外，中國戰場陷入僵持狀態，日軍再沒有發動大規模進攻直至1944年的一號作戰。
中國軍隊序列
第五戰區
一、第3兵團：孫連仲
（1）第2集團軍：孫連仲
第30軍：田鎮南 第30師：張金照 第31師：池峰城
第42軍：馮安邦 第27師：黃樵松 獨立第44旅：吳鵬舉
（2）第26軍：肖之楚 第32師：王修身 第44師：陳永
（3）第55軍：曹福林 第29師：曹福林 第74師：李漢
