1939年9月27日，上午十点，日军水源部队全部进入了伏击圈，随后便遭到八路军的猛烈堵击。堵击部队所据阵地是伸向慈河的一个突出而又光秃的小山包，它象一扇闸门一样，死死卡住了敌人的去路。小路伏击区的部队听到这边的枪声，也从敌人后面发起攻击。水源部队的北边是慈河，南面是陡峭的鲁柏山区，四面都有八路军堵击或攻击，他们被紧紧压缩在沿河的三个村庄以及附近小高地之内，完全陷入了绝境。

获知水源部队被围，灵寿县城的敌人着了慌，急忙向慈峪镇增兵八百余人，与水源留在慈峪的部队合兵一处，向八路军阵地发动进玫，但因遭到顽强阻击，并未能起到打通大路，接应水源部队突围的作用。

黄昏时分，八路军各部向被围之敌发动总攻。一二○师刚从冀中水灾区过来，行军时手榴弹大部分受潮，十之八九都不发火，部队攻进村内后，需要大量投掷手榴弹，一使用才发现不对，只得又退出来补充手榴弹，这导致当晚的总攻没能取得成功，但是也已经令水源部队陷入极度慌乱的情绪之中。

1939年9月29日拂晓，在待援无望的情况下，水源集中兵力，以施放毒气作掩护，从南面的独立二团阵地取得突破，随后便向鲁柏山攀爬。鲁柏山又高又陡，敌人挂在光秃秃的山崖上，既无掩护，又无依托，兜后追击的八路军趁机以各种火力猛烈射击，予以极大杀伤。压阵的日军军官见势不好，连忙举起军刀，朝那些走不动的士兵乱砍，逼得众人加快动作，这才使得整个队伍得以登顶。

水源满以为爬上鲁柏山就可以摆脱重围，从山背后溜走，但没想到五团主力早就赶到并占领了山后的制高点。此时其余八路军部队也已尾追赶来，经前堵后追，水源部队被再次包围于方圆不过五百米的鲁柏山主峰，南面是陡石坡，北面是绝壁，已成瓮中之鳖。

下午，一二○师的炮兵运动上来，对敌人抵近轰击，水源部队被炸得死尸遍地。水源多次组织突围未果，部队又不断遭到杀伤，处境非常困难，只好不断地向外发出呼救电报。战后缴获的电文上这样写道：“现在西侧鞍部苦战，刻下身边忧虑，望至急以飞机送弹药粮株，并增派讨伐队。”

短时间内，日军后方实在没法就近凑集大批“讨伐队”救急，起先能来的都是飞机。据悉，日军一个轻轰炸战队和一个飞行侦察中队都飞到了战场上空，但因地形复杂和敌我双方距离太近等原因，飞机无法扫射轰炸，用降落伞投下的几大包弹药和饼干也大部分都落到了八路军阵地上。

当天下午六点，贺龙亲自骑马来到前敌指挥所。到前沿观察形势后，他笑咪咪地走回来，坐在柳荫下，一边拿出一只烟斗吸着，一边传下命令：“补足弹药，安排好伤病员，准备打好最后一仗。”

黄昏时分，按照贺龙的命令，八路军各部对包围圈内的敌人发起总攻。刹那间，鲁柏山山上枪炮齐鸣，杀声震天。经一整晚的激战，战斗于次日清晨结束，除水源、田中率一部逃脱外，余者皆被歼灭。一二○师报称共打死打伤日伪军一千余人，俘虏日军十六人，缴获山炮三门以及轻重机枪等许多战利品。战后日军把收集到的官兵尸体盖上写有“大和魂灵”的太阳旗，一堆一堆地摆在村口准备焚烧。这些尸体全都被砍去了右手，应该是要把指纹拿回去作身份核对，仅此一项，也就够他们忙的了。

资料显示，日军第三十一大队长田中省三郎在陈庄战斗后不久即毙命，据推测，极可能就是在陈庄战斗中受了重伤，虽得以逃走，但最终仍不治身亡。他的上司水源虽然侥幸逃生，然而从此也对八路军的战斗力有了“新的认识”，以后参与“大扫荡”，只要是与八路军作战，都表现得战战兢兢，一副被打狠打怕了的样子。