杨成武巧设妙计，阿部规秀上了当，他下令部队全部左转，进入了八路军预先布置伏击圈的黄土岭。

上午八点，天气转晴，山头浓雾开始消散，但日军行军依旧很小心谨慎，大半个上午都是如此，但是另一方面，他们又没有真正吸取雁宿崖的教训，沿途既没有派出兵力对两侧警戒，也没有占领两翼高地，这就为八路军抢先占领周围山头阵地，进而居高临下地实施包围创造了条件。

从上庄子到寨坨村，一路沿着山谷延伸过去，就像一条长形的口袋。中午十二点，日军先头部队已经接近“袋底”寨坨村，大部队则还在“袋口”上庄子一线蠕动。这时，一团、二十五团突然迎头杀出，三团及三分区的二团从西、南、北三面合击，将日军团团围住，压缩在一条长约二三里，宽仅百十米的沟里。战场上枪声大作，杀声震天，八路军一百多挺轻重机枪从各个山头朝沟里打，一分区炮兵连连续发射了数发炮弹，整条山沟瞬间就被弹片、碎石和浓烟覆盖住了。

日军反应过来后，先是倚仗优良火器，向八路军寨坨阵地猛冲，遭到反击后，又掉头向西，欲从黄土岭突围。为了断敌归路，三团死守西、南阵地不放，一二○师特务团也及时赶来增援，从三团的左侧加入战斗，日军欲归无路，只能就地拼命抵抗。

相于游击队和非主力部队，八路军主力部队虽能优先得到弹药补充，但每个战士的子弹袋里也只有十来发子弹，连续射击之后，子弹袋很快就空了。相比之下，日军弹药充裕，他们射来的子弹如同急风骤雨，用八路军的话来形容，犹如在“刮刀子风”。八路军后方人员伏在山坡上，都能听见山前的枪弹“像秋风扫过霜后的白草那样，响着唏唏的风声”。有人把一条带有酸枣的枝条举到高处，刚举起来，枣儿就飞了，枝条也折了。

在子弹匮乏的情况下，八路军必须做到不瞄准不打，不到杀伤距离不打，这在无形中增加了部队的伤亡。当时八路军的医疗条件又很差，分区医院不能做大手术，重伤员只能用担架送往军区五台医院，伤员常常在半路上就会因失血过多而牺牲。幸亏战前白求恩主动请缨，像齐会战斗时那样，在前沿临时建立了战地医院，这才使很多指战员的生命得到了挽救。此前，这位国际反法西斯战士已因抢救八路军伤员而感染细菌，不幸罹患败血症，他是带着高烧、伤痛，对黄土岭战斗中的伤员进行救治的。令人扼腕的是，这也是白求恩最后一次为中国抗战效力，此战结束后不久，他便牺牲在了自己为之奋斗不息的事业途中。