当发现106师团孤军深入之后，薛岳认为机会难得，随即给武汉军委会和9战区司令部发电请示：
敌松浦之第106师团钻隙精神甚强，已突至我白云山一线纵深。我兵团拟抽调大军，歼灭突入该敌，以定后方。
蒋介石迅速回电同意，并表示再调遣部队支援薛岳。
决心既下，薛岳乃从德星路、南浔路、瑞武路三个方面抽调第66军、第74军、第187师、第139师的一个旅、第91师、新编第13师、新编第15师的一个旅、第142师、第60师、预备第6师、第19师，会同负责正面阻击106师团的第4军，四面包围，全力出击。
10余万军队开始在崇山峻岭中运动。
大战在即。
10月1日至3日间，第4军附第58师向已占领万家岭、哔叽街一带的日军连续攻击。
日军在飞机掩护下拼死反击，双方伤亡均重。
直到4日，双方在小金山、万家岭、张古山、箭炉苏一带连续激战，阵地几度易手。
此时，薛岳调遣的各部队已陆续靠拢，对106师团合围之势已经形成。
身在九江的冈村宁次从空军侦察中发现情况不妙，薛岳给他的106师团伏下了个口袋阵。
他立即命令106师团向北转进，向第27师团靠拢，同时命令27师团警戒106师团右翼，企图把106师团接出重围。
薛岳发现27师团动向后，命令从瑞武路转来的李汉魂所部向柘林以北地区转移，阻击27师团。
5日，李汉魂作战部署完毕。
薛岳即令91师，新编第13师、预备第6师为第一线阻击部队，防守右起杨家，亘城门山、洼山、蒋家坳、排楼下、螺墩，左至河浒一线。
令第142师(欠第725团)及第60师为预备队，控制于彭岗、上卢地区。
令第725团防守路马岭、龙腹渡一线警戒阵地，并掩护左侧背。
令第187师及第19师各1个旅及第139师1个团为第二线防守部队，在墨赤山、乌龟山、田家、柘林一线构筑预备阵地。
与此同时，106师团接到冈村命令，急忙行动。
但在这紧要关头，松浦淳六郎和他的参谋长竟然犯了低级错误——难于识别地图！
这次武汉会战日军所使用的五万分之一比例地图，是1926年冈村从孙传芳那里窃取来后，由参谋本部印刷发至部队，里面多有不准确之处。
而特设师团的高级参谋和幕僚的军事素养殊为有限，无法比照参照物予以纠正。
他们试图借助指南针标定方向，可当地又有磁铁矿藏，指南针失灵。
在山中冲撞一两日，处处遭到中国军队阻击，也未找到一条生路。106师团似乎注定在劫难逃。
10月5日、6日两日74军等部在长岭、背溪街、张古山、狮子岩等处与106师团激战。
106师团在海军第2联合航空队和陆军第3飞行团的掩护下，集中全力猛攻，但在守军沉着应对下，收效不大。
6日，薛岳认为歼灭当面日军的时机已到，13时，下达作战部署：
令吴奇伟指挥第66军、第4军、第74军向右堡山、万家岭、箭炉苏、长岭、雷鸣鼓刘一带之敌包围攻击。
令李汉魂部死守阵地，切断27师团和106师团的联系，并于7日14时向敌佯攻，相机向左侧背转移攻势。
令第18军副军长陈沛指挥第60师、预备第6师及142师的725团竭力迟滞永武路之敌，掩护左侧背。
令炮兵一营又1连在棋田以北地区占领阵地，以主要火力压制敌炮兵，以一部协同友军向万家岭、田步苏攻击。
攻击时间及详细部署由吴奇伟规定。
吴奇伟于6日15时下达命令，命令各军于7日12时前完成进攻准备，16时开始总攻。
第66军重点向石堡山攻击，得手后与第4军及第74军协力将万家岭、田步苏之敌歼灭。
第4军派兵一部掩护66军右翼，军主力确保现有阵地；第74军向西北攻击，防敌向南突进。
但由于日军顽强抗击和日机轰炸袭扰，各部队并未按时展开进攻。
第66军以第159师及160师一部展开于金蛾岭、公母岭一线，17时才完成攻击准备，随后向石堡山攻击前进。
74军则直到21时，该军第51师方才就位，开始攻击。
日军前入长岭北端和张古山最高点，并迅速增加兵力到2000余人，凭险据守。
51师在师长王耀武指挥下，数度攻击无效。305团团长张灵甫提议组织一支精干的小部队，从日军疏于防范的后山绝壁上进攻，得到王耀武同意。
于是张灵甫亲率部队出发，在友军的支援下，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。
截至9日，各部经过激战，进展范围虽不大，但大量杀伤了日军，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。
此讯被薛岳侦知，即令该地区第66军组织力量予以打击。
叶肇遂将任务交给上官若云旅。
封天宇主动请缨，率旅部特务营埋伏在日军空头地区。
9日23时左右，敌空降部队（200名军官）在万家岭芦田一带被全歼。
蒋介石于8日命令薛岳，务必在9日24时前全歼该敌，作为向“双十节”的献礼。
接到命令，9日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。”
由于三个军都组成了敢死队，在不到十分钟的时间里，敢死队向日军扔出了超过10万颗手榴弹，炸的到处尘土飞扬。
激战至10月10日，106师团只剩下2000多人，被包围在一个小村子周围，眼看就要全军覆没。
侥幸逃生的日军后来描述当时的情形：两边陡崖夹着中间一条路，部队无法散开作战，挤成一列纵队打，前后左右都是包围我们的敌军，挪个身子都挪不动。
松浦这个老家伙已经绝望了，坐在老百姓的一个房子里面，闭上眼睛一言不发。
当时最近的中国军队距离松浦只有150米了，可惜的是，这支部队没有发现面前就是日军的师团指挥部，不然肯定拼命都要冲过来干掉他。
日军俘虏后来说，只要你们再前进100米，师团长肯定切腹自杀。
松浦已经山穷水尽了，岗村宁次派飞机空投了几个师团的基层干部，也遭到毁灭性打击，眼看就要全军覆没。
裕仁也急眼了，命令岗村宁次不惜一切代价，必须把松浦救出来，只要松浦不死，106师团就不能算覆灭。
看到天皇也发飙，岗村慌了，赶紧让所有靠近万家岭的鬼子部队，向国军阵地发起疯狂进攻。
看到这种情况，薛岳感觉见好就收的时机已经到了，命令各部队有序撤退，松浦和剩下的1000多日军得以逃出生天。
未能生擒松浦淳六郎，成为此次会战中最大的缺憾。
天明后，日军最后一次组织剩余兵力，在空军掩护下发动反击，终被击退。
11日，106师团残部退守雷鸣鼓刘、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。
上官若云和封天宇率领部队勇敢穿插，企图将敌人截成数段再各个围歼。无奈敌始终抱成团，不予就范。
12日，伤亡也很重大的66军和74军向不足千人的日军残部攻击数次，由于日军依仗空投粮食弹药，并缩小了防御正面，因此火力并未有太多减弱。
这一最后的攻击仍未能奏效。中国最精锐的部队与日军最弱师团的战斗力相比，特别是在士兵的战斗素养方面，仍有不小差距。
封天宇率领特务营从北山陡坡上攻入，一度占领敌前沿阵地。正当他率部向敌纵深扑去时，十几架敌机呼啸而至。特务营暴露在日机火力之下，损失惨重，只得后撤。
在中国军队猛攻106师团的同时，冈村宁次严令各部不惜代价，增援万家岭。
10日，第27师团102旅团在战车第五大队的配合下，突破725团阵地。
11日，华中派遣军调驻屯苏州的第17师团步兵旅团长(该旅团为三联队制)铃木春松少将率第54联队的第1、第3大队，第53联队的第3大队及野炮兵第23联队增援106师团。
同日，102旅团及战车第5大队突至杨家山附近。
13日，日军第17师团的步兵团到达武开路，与第102旅团会合，并肩向第60师、预备第6师等阻击阵地猛攻。
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。
随后松浦师团即在南浔路北段担任守备任务，进行休整补充。原定与101师团进攻南昌的任务也被迫取消。
国共双方都十分推崇的一代将星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，盛名当垂不朽。”