王耀武未至師部，先至天井山。張靈甫驚而出迎。王耀武道：“今日與昌儒相別時，特別推薦靈甫，言：‘靈甫乃智勇之將，危急之時堪為頂梁，望佐民善用之’故我未至師部，先看望我弟。天井山乃淳化鎮之要衝，天井山存，則淳化不陷，望我弟用心守之！”張靈甫決然道：“若無師長，靈甫尚為階下囚，安能為國殺敵？靈甫決不負師長知遇之恩，決不負昌儒兄舉薦之恩！靈甫防守天井山，當痛擊倭寇，除死方休！”王耀武滿意而去。
時倭軍大部沿京蕪路進擊，又分軍一部沿京杭路策應，連夜突襲秣陵關與句容。未至天明，兩處皆克。倭軍糧草不繼，遂放兵劫掠。百姓震恐，流離荒野。倭軍第6師團馬不停蹄，經句容昂然而來。敵之前鋒已達陣前，倭軍棄車，悍然仰攻天井山。忽鄰近之妙高山、神來峰槍聲大起。俄而倭軍攀爬而至。眾軍據陣猛擊，漫山遍野俱為硝煙所罩。戰至次日，忽報倭軍已得妙高山。妙高山之守陣軍官逃往天井山。張靈甫大驚道：“妙高山若失，天井山必成死地。”即令兩員軍官率眾軍回搶妙高山。眾軍苦戰，死傷無數，方奪回原陣地。張靈甫嚴令各處，凡失陣地者，守陣長官就地處決。各處守軍凜然，俱死戰不退。
倭軍強攻而不得，便拘民婦於前，詐稱被俘女軍。國軍將士駭然不敢動。將近壕塹，民婦哭聲可聞。忽張靈甫咆哮道：“先殺我姐妹，再為我姐妹報仇雪恨！”眾軍即行槍擊。眾民婦應聲而倒。倭軍躲於眾婦身後，著彈者紛紛倒斃於陣前。倭軍悍然不退，執刀殺來。國軍將士轟然上前，與倭軍近身廝殺。國軍此時俱置生死於度外，與倭軍舍命相拚。倭軍為國軍氣勢所撼，潰敗散走。國軍緊追不舍，相距不及數米。山下倭軍不辨敵我，突施炮擊。雙方軍兵死者無數，滿山俱是殘屍，血水淋漓而下，直達山麓。
倭軍戰車衝至陣前，轟然猛擊國軍壕塹。國軍敢死隊匍匐下山，就於戰車前放起火來。此地鬆樹與茅草相雜而生，火勢頓時蔓延。數輛戰車在烈火中炙烤，車中倭寇俱死。其餘戰車便停在山下。火龍直上山腰。煙霧直嗆著國軍。眾軍惟有伐樹割草自救。僅半日工夫，茅草俱化為灰燼。倭軍又複殺來。兩軍已無草叢隱匿，遂依托鬆樹在山上互相射殺。國軍憑高視下，占據地利。倭軍累攻不利，隻好撤至山下，分兵攻擊牛首山。
血戰數日，國軍各部應對攻勢淩厲之倭軍，舉步維艱。王耀武部防守淳化鎮，既得地利，據天井山、妙高山兩處險要固守。倭軍第6師團累攻而不得，轉而集重兵攻擊牛首山。牛首山山勢險峻，林木叢生。馮聖法率部據陣固守。倭軍攻勢受挫，便架炮猛擊山林。倭軍飛機又趕來助戰，轟炸國軍陣地。國軍壕塹大多被毀，死傷無數。淳化鎮亦被倭軍戰機炸成廢墟。忽國軍與蘇聯空軍誌願大隊飛臨倭軍上空，轟擊倭軍地上部隊。倭軍突然遭擊，皆鼠竄至壕溝躲避。倭軍增援飛機趕到，兩軍戰機就於戰陣上空鷹鬥不休。我軍飛機雖擊落數架倭機，卻遭重創，漸漸落到下風，便翻身遁去。時嚴冬天氣，茅草俱枯，火焰燭天，濃煙直衝九霄。兩軍便於火過處逐角，灰燼盈尺，軍士無處藏身，伏於灰燼中射擊，時有著火者。
兩師之眾與敵激戰至黃昏，得保陣地不失。待至夜間，倭軍伏地來襲，又為我軍擊退。次日清晨，倭軍步炮空三軍齊向淳化鎮、牛首山猛烈攻擊。倭軍大部齊聚淳化鎮陣地。倭軍戰車在陣前耀武揚威，四處亂撞。國軍輕武器不堪應對，欲用炸藥轟炸，怎奈陣前雜草俱毀，視野空曠，敢死隊未及戰車前，便為倭軍擊倒。國軍隻得躲於壕塹中。倭軍便以平射炮轟擊，炮彈直入鋼筋水泥掩體內，我軍重機關槍大多被毀。軍兵死於掩體內，壕溝中血肉橫飛，俱是殘肢斷體，腦漿如豆腐花似的飛濺一地。
時王耀武遠眺雙方爭戰，忽前方急報張靈甫中炮，命在旦夕。王耀武大驚，急令後衛部隊不顧一切增援天井山，並將張靈甫搶救下山。後衛將官得令，即率眾軍側擊倭軍。眾軍醫將張靈甫抬至鎮中。時張靈甫昏迷不醒，一身衣衫如同血水泡過。軍醫憂心道：“張團長傷勢過重，隻恐不治。”王耀武噙淚道：“隻要靈甫未斷氣，就要全力救治。軍中醫械簡陋，可速送往城中醫院。”眾人得令，匆匆而行。