眼看着精锐的第31大队即将覆灭，水原义重哪肯丢舍钟爱，他急调日军300余名会同驻守慈峪镇敌人共计800余众，于28日16时大举向南北伍河进犯，企图接应被围在冯沟里、破门口的田中大队主力进行突围。张仲瀚即率719团顽强阻击，待敌军进占南北伍河时无法再进，便与我军在白头山地区形成对峙。
为迅速全歼被围敌军，贺龙来到横山岭张宗逊的指挥所，指示部署总攻，决定我军于黄昏后发动攻击。张宗逊立即组织和调整战斗部署，独立第1支队继续由西向东，攻占高阳庄与冯沟里之间高地，而后向冯沟里发展进攻；第2团由南向北，夺取冯沟里南侧高地后，向冯沟里村南发展进攻；第4团由东向西，夺取破门口之后，控制该村；第716团全部涉过磁河，自北向南攻击，协同以上各部将敌聚歼在冯沟里地区。当晚我军发起总攻，各部队英勇作战，向敌人实施突击，第716团担任主攻，首先占领了破门口、冯沟里之间的敌军阵地，把敌人分割为两半，接着冲入破门口村。其他部队也同时攻占了高阳庄、冯沟里的敌人阵地，向村内突击，在进攻过程中，因敌人负隅顽抗以及我军部队所带手榴弹被连绵不断的雨水浸湿，十之七八打不响，刺刀也不够用，不能充分发挥我军近战的威力。战斗到午夜时分，未能解决战斗，遂退出村外。
几乎与我发动进攻同时，慈峪增援敌军向白头山发起凶猛进攻，第719团的战斗异常激烈。贺龙担心阻击防线被援敌击破，命令张宗逊急调358旅第4团进至山门口及桥塔岩地区，加强白头山纵深阵地，协同719团阻敌增援。被围敌军遭我一天一夜的冲杀已死伤累累，眼见援军无望，处境危殆，仍幻想以出我意料的行动来逃脱灭顶之灾，遂于拂晓集中全力，拼命往鲁柏山上爬去。鲁柏山又高又陡，他们趴在光秃的山崖上，既无掩护又没依托，我军则以各种火器猛烈射扫，又给敌军极大杀伤。敌人爬上山顶，辎重和重武器丧失殆尽、活下来的也只剩下二三百人。同时少数零散寇兵，沿破门口山谷逃至石佛峪西山。残余敌人满心以为爬上鲁柏山就可从山背后溜之大吉，他们万万没有料到4分区独立第5团早在山后万寺崖堵住去路，而民兵、游击队和群众也卡住了所有的大小山沟和荒僻小道。张宗逊得知敌军突围情况，迅令第716团、独立1支队及第2团一部展开多路追击，将敌人重新包围。
时间对敌人来说预示着生存转机，对我军而言代表着围歼制胜，因此增援敌军拼命发动攻击，企图尽快突破我军阻截防线，救授已山穷水尽、走投无路的田中大队：我军则迅速收缩，紧锣密鼓向残敌四面猛打，英勇顽强回击授敌。29日上午，援敌发动更为猛烈的攻击，白头山阵地曾一度失守，张仲瀚率719团经过激烈反攻，又将阵地夺回，该战异常艰苦，战斗达到白炽状态。贺龙为支援4分区独5团截断敌人退路，防敌与其增援部队接合，又调358旅第4团进至沙湾地区。同日中午，被围困在方圆不足一里的鲁柏山狭窄山顶上的残敌，无粮无水，又缺弹药，还不断受到我军迫击炮的火力杀伤，已经死伤惨重，兵无斗志，处境更加困难，该敌至死不甘待毙，不断发电作垂死前的乞援哀鸣：“现在西侧鞍部苦战中，刻下身边忧虑，望至急以飞机及增援队来援，开弹药粮秣。”14时敌派飞机3架进行轰炸扫射，企图掩护残敌突围，17时又有3架敌机进行主援，投下6大包弹药食品，其中一半落在我军阵地上。
29日18时，我军各部经调整部署，从四面向鲁柏山残敌发起进攻。命令一下，枪炮齐鸣，杀声震天，我军战士犹如离弦之箭冲上山顶，向敌射击，与敌肉搏，至21时夺取敌占所有高地，将残敌压缩于山谷内就地痛歼，击毙先自鸣得意后又沮丧无比的敌第31大队大佐大队长田中省三。余敌70余人，经万寺院逃至沙湾，亦被边区4分区独5团、358旅第4团及地方游击队在沙湾地区歼灭。而进攻白头山的增援敌军，虽在29日下午再增200余人和坦克3辆，在我英勇的719团顽强打击下，始终被阻于白头山下不能越雷池一步。30日8时，该敌一部在南北伍河与我军对峙，其大部绕路向沙湾运行，但终被我军第4团阻截，无法接应逃敌。至16时，援敌得知第31大队被我军全歼，遂经慈峪撤回灵寿，战斗于当日下午结束。
陈庄歼灭战，我军以3倍于敌的优势兵力，历经6天5夜的运筹、周旋和激战，以亡142人和伤415人的较小代价，毙敌旅团长以下1280余人，俘敌16人，缴获山炮3门、轻重机枪23挺、步枪600余支，战马50余匹，使以“牛刀子战术”闯入我根据地的狂妄敌人遭到惨败。
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