界首天險被攻破，昆侖關失去最後一道重要屏障，日軍成了“甕中之鱉”。第5軍占據了昆侖關四周各個高地，並將其重重包圍。
杜聿明考慮到第200師傷亡過重，便命令第22師越過第200師陣地，擔任正麵主攻任務。榮譽第1師在右翼，葉肇66軍第159師在左翼，各部協同作戰，對昆侖關守敵作最後的攻擊。
12月30日，新22師的鄧軍林團開始對昆侖關發起攻擊。日軍憑借堅固的岩石工事負隅抵抗。日軍在陣地前設置了大量的滾筒式鐵絲網，新22師官兵迅猛的衝擊，往往被鐵絲網遲滯下來，遭到日軍密集火力的壓製，無法向前推進。鄧軍林團連續十幾次進攻，都被日軍打退，而每次衝鋒傷亡均過半。
12月31日上午，桂林行營主任白崇禧親臨戰場視察。他觀察了中方炮兵陣地後，命令炮兵指揮官邵百昌指揮法式山炮與俄式戰防炮各一個連，將這兩種重量較輕的炮體拆卸後，搬上日軍左側我軍占領的高地，在此側射。日軍陣地完全暴露在炮兵眼皮底下，一陣密集的轟擊，壓製住日軍的機槍、山炮，並將鐵絲網摧毀。新22師鄧軍林團乘機發起淩厲攻勢，一舉攻上了昆侖關。
從昆侖關潰退下來的日軍殘部，在九塘與南寧援兵會合後，就地構築工事，企圖既守住南寧外圍，又伺機反撲昆侖關。第5軍決定乘勝追擊，不予日軍喘息的機會。
441高地被榮1師控製後，日軍數次進行猖狂的反擊。441高地為昆侖關西南的一個有力支撐點，日軍攻占該高地，一則可以爭取時間等待增援，二則以此高地為支撐點，攻可以撲昆侖關，守可掩護部隊退卻。就在昆侖關被我軍收複之後，日軍也未放棄占領441高地的企圖。
1940年1月1日，日軍得到援兵後重新調整部署，在飛機的掩護下，從東、西、南三麵圍攻中方主峰陣地。榮1師第1團3營官兵，頂著敵機的狂轟濫炸，英勇抗擊近千名日軍的持續進攻，最後終因傷亡太重，被迫退守到高地北側死守待援。
鄭洞國師長此時手上隻有第2團300餘名機動部隊，他一咬牙派了上去。第2團餘部在汪團長指揮下，與日軍苦戰通宵，敵我傷亡均極慘重，而日軍援軍仍在繼續增加，我守軍僅剩200餘人死守高地北側，戰鬥暫時成膠著狀態。
第二天，第2團官兵仍然頂住了日軍持續不斷的進攻。第三天黃昏，日軍狗急跳牆，見連日飛機轟炸、炮火猛轟、步兵攻擊，都未能占領高地，便慘無人道地向中國軍隊施放毒氣。隨後，日軍在空軍的支持下再次發起攻擊，中方守軍愈戰愈少，陣地危在旦夕。
鄭洞國師長一麵命令汪團長率部死守，一麵把師部的特務連、傳令兵、夥夫以及主動請戰的輕傷員集合起來，組成了一支近200人的突擊隊，利用暮色掩護，跑步增援441高地。突擊隊悄悄繞至敵陣側背，突然發起攻擊。此時，日軍已是強弩之末，在這突然的打擊下頓時慌了陣腳，而高地上的中方守軍也乘機反擊，日軍在我軍夾擊之下倉皇逃竄。中國軍隊終於將昆侖關周圍最後一處高地牢固地占領，贏得了昆侖關戰役的最後勝利。
昆侖關戰役曆時近20天，最後以中國軍隊全部收複昆侖關及周邊各高地而勝利結束。這是自抗戰以來中國軍隊取得攻堅戰的首次勝利。據戰後日本公布的材料，日軍第5師團第21旅團長中村正雄少將，第42聯隊長長阪田原一，第21聯隊長三木吉之助、副聯隊長生田騰一，第1、第2、第3大隊的隊長均被擊斃。整個旅團85%以上的軍官傷亡，4000多名士兵被擊斃，100多人被俘。日軍“王牌”第21旅團基本上被全殲。中國軍隊繳獲山炮10門、野戰炮12門、反坦克炮10門、重機槍80挺、輕機槍102挺、步槍2000多支，以及大批子彈、手榴彈、炮彈等其他軍用物資。在這次戰役中，第5軍也付出了沉重的代價，有1.1萬人負傷，近5000人犧牲。
昆侖關戰役也是中日兩國精銳部隊之間的一次殊死決戰，這場“王牌”與“王牌”的較量，其激烈程度為抗戰以來所罕見。這也是第5軍自擴編後打的第一仗，首戰告捷，不僅打出了中國人的誌氣，也打出了中國第一支機械化部隊的威風。就連日軍第5師團長今村均中將在戰後給大本營的報告中也稱，中國軍隊的英勇頑強值得日軍敬佩。在第5軍繳獲的日軍作戰日記中有這樣的記載：“數日以來，當麵之敵對我猛烈攻擊，其戰鬥力為對華作戰以來從未遭遇者，因此傷亡極重，實足寒心。”