聽到命令後，全團迅速向敵人撲去。步槍和輕重機槍一齊狂叫，隻見兩路汽車互相衝撞起來，彈藥車被打著了，響成一片，頓時黑石頭溝被鬧得天翻地覆！
敵人遭到這迅雷不及掩耳的襲擊，一個個從車上往下跳，但有的還沒跳下來就送了性命。一刹那的混亂之後，敵人整頓了一下，端著槍企圖反撲。但沒等他們散開，十一連的勇士們便衝上了公路。雙方展開了激烈的白刃戰。
作為指揮員，賀炳炎一直衝在最前線，駁殼槍子彈打完了，他就撿起一支日軍丟棄的長槍，用左手一個猛刺，刺死一個欲逃的日本兵。隨之，又端槍朝遠逃的日本兵射擊。
“叭！”槍打偏了。逃跑的3個日本兵扭頭一看，見打槍的是個“一把手”，認為好欺，折回頭，端著明晃晃的刺刀，齜牙咧嘴地朝他撲來。
日軍想抓活的。賀炳炎“嘿”地大吼一聲，緊握長槍進行迎戰。
“嗨！”戰士“小耗子”隨著賀炳炎的虎嘯聲衝上去，一個猛勁挑開了敵人的兩把刺刀。老炊事班長舞動著鬼頭大刀趕過來助戰，十一連的戰士也衝上來。戰士們一齊動手，三下五除二，很快結果了這3個日本兵。
槍聲漸漸稀落下來。公路上的火藥味濃烈撲鼻，敵兵的屍體橫七豎八地躺著，有的被車上的彈藥崩得五體分家。
黑石頭溝裏，一片歡呼。戰士們懷著興奮的心情打掃戰場，附近的老鄉們也樂嗬嗬地趕來，幫助我們搬運戰利品。賀炳炎巡視著，見一個戰士正用鐵鍬狠狠地砸著汽車，一麵砸，一麵氣呼呼地說：“我叫你再跑！我叫你再跑！”
賀炳炎笑著對他說：“這麼多的汽車，哪砸得完？”廖政委也說：“不要砸了，應該炸掉！”
響聲四起，煙火彌漫，不一會兒敵人的汽車便在雁門關下焚燒起來。
戰鬥正在激烈之時，在黑石頭溝北邊擔任警戒的分隊報告，從廣武方向又開來日軍車隊，也有百多輛車，滿載著向忻口增援的彈藥和士兵，急急駛進黑石頭溝。日軍現已跳車登山，順著西邊的山梁轉到我軍左側，向在公路上出擊的我軍射擊，天上也飛來4架敵機助戰。對我軍構成極大威脅。
賀炳炎聞訊後，及時調整作戰計劃，立即把部隊重新拉上山。在這個過程中，我軍的傷亡驟然增大，賀炳炎的警衛員被敵人機槍打倒，負了重傷。賀炳炎的胸前也被一顆子彈橫著穿過，把他的皮襖穿了兩個洞。
賀炳炎看到伏擊目的已經達到，戰場形勢急轉直下，遂主動撤出戰鬥。
經過激戰，殲滅日寇300餘人，擊毀敵汽車20多輛。黑石溝裏黑煙滾滾，擊毀的汽車從南北兩頭把路堵死了，日軍南北兩個車隊300來輛車被阻在溝裏，動彈不得。日軍一直收拾到夜晚才撤走，臨走時在黑石頭溝豎了一塊木牌子，寫著“此地殉國67人，過往車輛千萬小心”。
雁門關伏擊戰首戰告捷，打破了“日軍不可戰勝”的神話。戰爭既鍛煉了部隊，振奮了民族精神，又用敵人的武器裝備了自己。賀炳炎因此獲得了通令嘉獎。海內外報紙也大力宣傳雁門關伏擊戰的戰果，稱之為“雁門關大捷”。
毛澤東在和英國記者貝特蘭的談話中和在《抗日遊擊戰爭的戰略問題》一書中，都列舉了包括賀、廖支隊對大同雁門關之敵主要運輸道路的截斷、雁門關的兩次奪回在內的諸多勝仗，稱讚“八路軍起了非常大的作用”。
雁門關伏擊戰，作為一二○師抗戰之初有代表性的一仗，載入了八路軍英勇抗戰的光榮史冊。