日軍進入包圍圈後，十七師和八十一師又立即占領了邵源鎮，紮緊了口袋。 這樣，日軍陷入了南北長20裏，東西長8裏的西陽河穀。
所謂的河穀，就是兩邊高、中間低的狹長地帶，出口隻有前後兩端，如果紮緊了前後兩端的袋口，日軍則就陷入了上天無路、入地無門的窮途末路，隻能坐以待斃。
這場圍困戰打了十多天，日軍負隅頑抗，一次次組織力量，想要衝破中國軍隊的包圍，但是一次次都失敗了。戰後，據一個俘虜供述，在圍困戰的第一天， 一個聯隊長因為攻擊不力，而被迫切腹自殺。
中國軍隊盡管將日軍誘入了這一狹長地帶，但是急切間無法吞下。這是一支日軍的作戰主力部隊，而不是日軍的後勤運輸隊，所以，東塢嶺戰鬥中，中國軍隊能夠用三個小時就幹淨利落地結束戰鬥，而這場戰役，中國軍隊圍攻十餘天， 還是無法將日軍咬死。
車國光在6月16日接到的衛立煌的急電是這樣的：“限30分鍾內到李軍長、 趙師長、賀師長。竄犯西陽河之敵，前不能進，後不能退，已陷入我軍包圍。各軍師長應親督所屬於筱日拂曉向當麵之地展開猛攻，一舉殲滅之。”
筱日，就是17日。
圍攻這股日軍的有五個中國師：趙壽山的十七師，賀粹之的八十一師，李默庵十四軍所屬的三個師（十師、八十三師和八十五師）。17日拂曉，每個師派出了一個加強團向日軍猛撲，戰況空前激烈。每個師僅僅派出一個加強團攻擊日軍， 說明中國軍隊傷亡慘重，無法組織更多的力量進攻。
五個加強團向日軍發起不間斷的衝鋒，沒有達到預期目的，也沒有衝擊到預定的位置。當天中午12時左右，日軍開始施放毒氣，毒氣順風吹到了中國士兵占領的陣地上，中國士兵無力進行攻擊。因為傷亡過大，無法組織起更有效的衝鋒， 中國軍隊被迫撤回到原來的位置。
衛立煌指示：“白天炮擊，夜晚偷襲。”中國軍隊依照此法攻打十天，仍然未能奏效。
被圍困在西陽河穀的日軍，依靠空投來補充裝備。中國軍隊缺乏防空武器， 隻能眼睜睜地看著日軍的飛機把大批武器彈藥和糧食空投進西陽河穀。西陽河穀地勢低矮，日軍飛機一目了然。
第12天，中國軍隊第九軍第四十七師趕到了，衛立煌立即命令再次攻擊。
對中條山保衛戰研究頗深的中共中央黨校教授楊聖清曾經講過這樣一件事情。在西陽河戰役中，一名中國軍隊的旅長穿著嶄新的軍裝走過一座村莊，老鄉們看到後，就問：“你去上戰場，為什麼要穿著新衣服？ ”這名旅長回答說：“老鄉你不知道，我們當兵的都是提著腦袋過日子，今天出門打仗，就不知道還能不能回來，我把衣服穿好，免得死了還要人入殮。”
中國軍人抱著必死的決心，走上了戰場。
攻擊是在午夜開始的。漫山遍野的中國軍隊高聲呐喊著，挺著刺刀，高舉大刀， 衝向河穀中的日軍。等到拂曉的時候，各支中國師都取得戰果，第十師攻克了東坡，八十五師收複了李家穀垛，八十三師攻克了南羊圈，十七師攻克了茶坊，八十一師攻克了提溝。日軍被壓製在了一個狹小的包圍圈中，即將被殲滅，中國軍隊勝利在望。
可是，天亮後，大批的日軍飛機飛臨戰場，向著中國軍隊狂轟濫炸，中國軍隊無法繼續衝擊，無法抬頭，無法與日軍作戰。萬不得已，中國軍隊隻能停止了攻擊。
夜晚，車國光所在的十七師又組織了最後一場攻擊，僅派出一營兵力，這是十七師僅能組織的最後一支攻擊力量。當天夜晚，喊殺聲通宵達旦，天亮後， 十七師九十八團一營營長呼品一和200多名官兵全部壯烈犧牲。
據十七師老兵回憶，在東渡黃河後的一年時間裏，十七師傷亡近萬人，也就是說，與日軍作戰一年後，十七師幾乎全部換了一茬戰士。老兵們，全部犧牲在了抗日前線。
至此，中國軍隊再也無力攻擊了，隻能將日軍繼續包圍起來，防止突圍。而日軍，也沒有能力突圍了，他們躺在地上，等著日軍的飛機空投給養。
接著，中國軍隊的視線裏就出現了前來增援的日本軍隊，這支從絳縣橫嶺關趕來增援的日軍，裝備精良，僅坦克車就有幾十輛，坦克後麵是密密麻麻的穿著土黃色衣服的軍隊。
史料記載：“1938年6月28日，日軍調集5000人沿垣曲向東進犯，策應西陽河穀作戰，同時，一萬日軍從沁陽出發，向西急進，妄圖圍殲中國軍隊。”
而此時，中國軍隊已經無力再打J去。
衛立煌命令中國軍隊漸次撤出西陽河穀，中國軍隊含恨離開。
被圍困在西陽河穀的日軍，未能全殲，實在遺憾。
戰後，南羊圈和雙廟村一帶的百姓，撿拾手榴彈的木柄作為柴禾做飯，竟然整整燒了三個月。老百姓從地上隨便抓一把土，就能找到彈殼。而在一棵大樹上， 就數出了三十多個彈痕。
西陽河戰役，中國軍隊盡管沒有全殲日軍，但是將鈴木師團打得失去了戰鬥力。這是抗戰初期最漂亮的一場圍殲戰，日軍痛心不已，切齒痛恨，將這場戰役寫進了日本陸軍教材中。
日軍解除了西陽河穀之圍後，又直撲垣曲縣莘莊村的衛立煌指揮部，為了保存實力，尋機再戰，衛立煌帶著司令部轉戰到了平陸縣太寨村。