原来，冈崎大队已将整排窑洞贯通，每个窑洞都筑有机枪阵地，既可独立作战，又可与其他窑洞互相掩护、互相支援，形成交叉火力网。在机枪阵地前面还挖了防弹壕，如果手榴弹没有扔到位，将滚入防弹壕里，难以造成威胁。窑洞外也挖了工事，构成了里外相连、窑窑相通的循环作战系统。
特务团不明就里，在与日军争夺窑洞时，付出了不小的代价。欧致富一看情况不妙，立即命令各营暂停攻击，就地隐蔽，等大部队发起攻击后，再里应外合。
此时八路军总部指挥所发出总攻信号。参战部队向关家垴和柳树垴同时发起攻击。决死第1纵队38团奉命攻打柳树垴。接到攻击信号，铆足劲的战士们迅速向柳树垴冲去。双方在柳树垴展开了激烈的争夺。经过两个小时的激战，决死队在天亮时占领了柳树垴。决死队没有料到，一个中队的日军居然乘38团与25团调整部署时，利用夜色作掩护，又悄悄地接近了柳树垴阵地。决死队是一支新部队，战场经验不足，就在他们麻痹大意时，遭到该中队日军的突然反击，柳树垴阵地又被日军夺走。
战场形势的变化，出乎彭德怀、左权所料。彭、左迅即命令陈赓反攻。于是，八路军在进攻关家垴的同时，不得不抽出三个营的兵力再攻柳树垴。连续攻击了四次，甚至有两次攻上了山头，最终却未能夺回失去的柳树垴主阵地。
进攻关家垴同样艰难。386旅772团在东北方向的攻击，由于攻击地形十分不利，能接近日军阵地的只有一条约1尺宽的小路，战斗打得异常残酷。战士们一次又一次地攻击，一个台阶一个台阶往上爬，反复与日军短兵相接，伤亡极大。战至中午，772团1营原本70多人的1连只剩下3人；50多人的3连只剩下指导员和2名伤员；近70人的4连只剩下10余人。午后，1营剩下的人员在营长蒲大义的带领下仍继续配合兄弟部队向日军攻击。14时，当1营被兄弟部队换下来时，只剩下6个人。
385旅769团从西北方向攻击关家垴。这一面，是一个约20米高的陡崖，快到崖顶的地方，有一个略凸出来的壕坎，上面又是一条30多米长的斜坡，一直通到关家垴山顶日军的前沿阵地。攻击前，769团突击部队曾借助攀登工具和陡崖上的野藤爬到壕坎处，但被发觉，日军随即用火力封锁了斜坡。受地形所限，769团突击部队既无法发起冲锋，又无法压制日军火力，反被日军压制在壕坎处无法行动，他们的后续部队也困在后面无法投入战斗。
上午9时左右，关家垴飞来了几架日军飞机，进行狂轰滥炸。关家垴地方狭小，八路军投入进攻的兵力密集而无处躲藏。轰炸造成很大伤亡，不得不暂停进攻。对关家垴的争夺进行了5个小时，八路军攻占了附近的数处高地，但仍拿不下主阵地。
彭德怀火气冲天，态度强硬
部队进攻受阻，且伤亡严重，令陈赓坐立不安，他对继续攻打关家垴是否必要产生犹豫。陈赓拿起电话对彭德怀说：“此处的地形对我十分不利，是否可以把冈崎大队放下山来，另选有利地形打他的伏击？”“不行，一旦放走日军，就很难再打着他了，必须在此将其消灭！”彭德怀态度坚决。“这样打下去，代价太大了！”陈赓想继续说服彭德怀。彭德怀答道：“就是拼光了，也要拿下关家垴！”“这样打法，我不赞成！”陈赓有些急了。“有意见可以保留，但命令必须执行！”彭德怀随即放下了电话。陈赓无奈只得服从命令。
彭德怀和左权的指挥所就设在离关家垴千余米外的一孔破窑洞中。彭德怀放下电话，走出窑洞，举起望远镜观察阵地。他见战士们不顾性命往上冲，然后纷纷倒下，心中焦急。他为牺牲的士兵感到痛心，更对战斗的胶着状态深感不安。彭德怀没想到这块骨头竟这么难啃！
刘伯承看到各攻击部队损失较大，非常痛心。他从前沿阵地给彭德怀打电话建议部队暂时撤围，另寻战机。彭德怀对刘伯承说：“冈崎大队所剩人马已不多，我们不能给敌人喘息的机会，应该一鼓作气坚决消灭！”刘伯承回道：“我的彭老总，这样打我们赔不起呀！”彭德怀耐着性子说道：“我的老兄，敌人援兵正在逼近，一旦放虎下山，立刻就会得到援兵的接应。”
“那就以后再收拾他！关家垴的地形对我不利，我军伤亡太大了！”刘伯承回道。
但彭德怀仍坚持打下去。最后，刘伯承生气了，对彭德怀大声说道：“你这是赌气，蛮干！这一仗，我不同意再打！”彭德怀也按捺不住直往上蹿的犟脾气：“拿不下关家垴，就撤销第一二九师的番号，杀头不论大小！”在769团指挥所，刘伯承无奈地再次拿起望远镜观察前面的攻击地形。忽然，连接关家垴陡崖崖顶与壕坎之间的斜坡上隐隐露出的黄土吸引了他的目光。
刘伯承问道：“壕坎上面的斜坡是土质的吗？”769团团长郑国仲回答：“是黄土坎。”
他计上心来：“挖暗道，通上去！”郑国仲一听，大喜。于是，他一面组织火力佯攻，吸引日军的注意力，一面组织人员从壕坎下面挖掘通往关家垴山顶的暗道。
10月30日16时，第二次攻击开始。此时，769团已成功地挖通了通往关家垴山顶的暗道。发起攻击后，769团再次对日军进行猛攻，其中一部经暗道向关家垴山顶爬去，另一部隐蔽在壕坎下面。同时派突击队攀上陡崖。
关家垴山顶的日军以为八路军还从斜坡往上攻，正全神贯注地盯着斜坡，没想到八路军突然从他们屁股后面冒出。一阵手榴弹响过之后，关家垴山顶阵地上的日军顿时陷入混乱之中。隐蔽在壕坎下的突击队趁势迅速冲上去，双方随即在关家垴山顶展开激战。769团的后续部队也不断攻上垴顶，加入战斗，最终控制了制高点。
同时，772团和决死第1纵队25团、16团等部也先后攻上关家垴。经过激烈的肉搏，日军一部被歼，其余则退到了半山腰的窑洞中，拼死抵抗，火力仍然很猛。八路军向关家垴连续发动了18次进攻，终于攻占了日军的第一道防线。然而，由于八路军缺少重型武器，围歼日军余部的战斗进展缓慢。直至深夜，日军仍顽强地据守在窑洞中。经过10月30日一天的激战，八路军虽有斩获，但冈崎大队仍控制着两处主要阵地。