张灵甫大惑不解，欲复电抗辩，被方云奇止住，他认为薛长官既如此调遣，一定另有深意，只需依令行事即可。张灵甫方才作罢。
方云奇所料不差，原来日军一0六师团在沙河镇、南昌铺一带与第一集团军第八军和第六十四军反复争夺七昼夜，伤亡过半。冈村宁次一边令一0六师团撤下休整，补充兵源，一边加强空中侦察，欲寻隙突击。
薛岳察觉冈村宁次意图，为坚其心，便令鸡笼山阵地一线佯败退出阵地，故布迷阵。冈村宁次果然上当，急令休整完毕的一0六师团沿着南浔铁路和瑞武路之间的空隙冒险西进，突至万家岭地区。
薛岳大喜，令第四军实施正面阻击，然后迅速调集第六十六军、七十四军、一八七师、一四二师等共计十万大军合围，意欲全歼孤军深入的日军一0六师团。
待冈村宁次惊觉，为时已晚。十月一日，中国部队陆续到达指定位置，将一0六师团一万余人围在万家岭、小金山、张古山一带，双方连续激战数昼夜，阵地几度易手，战况极其惨烈。
见势不妙，冈村宁次只得急令一0六师团突围，向北转进，与日军第二十七师团靠拢，但在关键时刻，师团长松浦淳六郎发现所使用的地图存在不少谬误，欲用指南针校正，可指南针居然失灵。原来日军使用的地图是一九二六年冈村宁次从孙传芳处窃取，多有不准确之处，而当地又蕴有磁铁矿藏，致使指南针失去作用，真是天亡倭也！
十月六日，薛岳下达了对一0六师团的总攻令，并亲临一线督战。战至九日，日军损失惨重，基层军官几乎伤亡殆尽，基本丧失战斗力。日军华中派遣军司令官烟俊六万般无奈，只得组织向万家岭地区空投了两百名联队长以下军官，妄图拯救已至垂死边沿的一0六师团。
在此次战斗中，张古山主阵地是日军突围的关键，已撤至此处的张灵甫和方云奇，亲率敢死队从日军防范不严的山后绝壁攀援而上，与日军进行白刃格斗，夺了阵地。日军动用大批飞机和重炮攻击，想重新夺回张古山。方云奇和张灵甫都被炮火击中，身受重伤，但二人带伤坚持战斗，牢牢守住阵地，挫败了日军企图。
激战一昼夜，一0六师团防御阵地彻底崩溃。十一日，其残部不足千人，退守雷鸣鼓刘、松树熊等不足五公里的狭小地区固守待援。身在九江指挥的冈村宁次疯了，亲带两个日军师团气急败坏扑来，声言不计一切代价救回一0六师团，挽回帝国颜面。
鉴于消灭一0六师团的战略目标已基本达到，而中国守军各部在此场战役中伤亡也极为惨重，为避更大伤亡，薛岳忍痛下令参战部队全线退守永丰桥、柘林一线，并遗憾地电告军委会——
此次敌穿插迂回作战之企图虽遭挫折，但我集中围攻，未将该敌悉数歼灭，至为痛惜！
当然这是薛老虎自谦之说，让日军一个师团陷于灭顶之灾，这是日本陆军自组建以来第一次，不仅让日军胆寒，而且震动日本朝野，使日本朝中与军部那帮战争疯子认识到现实与梦幻的差距，再也不敢小觑中国，做速战速决的美梦。