下定决心后，左权把特务团的团、营以上军事干部召集到指挥所，交代任务：第二营从侧后摸到关家垴山顶，30日凌晨3时发起攻击，除掉山顶上日军的机枪阵地；第三营从关家垴和柳树垴中间突击，斩断两股日军之间的联系，得手后向西突进，摸黑逐个消灭窑洞里的敌人；其他两个营从西北岭插上，防止敌人逃回武乡。左权特别强调，特务团的总任务是掩护兄弟部队按时进入阵地，然后来个中间开花，与兄弟部队配合，一举歼灭敌人。部署完毕后，左权又解释道：我们之所以要在3时发起攻击，是因为敌人在我们的围困下已经疲惫不堪，特别是他们又刚刚构筑完工事，肯定是累得不行，困得不行，我们就要趁敌人酣睡时进行偷袭。
八路军总部特务团受领任务后，团长欧致富要各营营长按照左权的部署立即行动。凌晨3时前，特务团各营就已到达预定位置。第二营神不知鬼不觉地摸到了关家垴的山顶。随着寒光一闪，两个日军哨兵便悄无声息地倒下了。接着，第二营的战士把手中的手榴弹甩了出去，沉闷的黑夜顿时被隆隆的爆炸声打破。
埋伏在山下的特务团各部随着团长欧致富一声令下，迅速向各自的目标冲去。起初，战斗进展得相当顺利，特务团很快占领了关家垴上的一排窑洞。可正当特务团准备继续向前攻击时，左侧的一间窑洞中突然响起猛烈的机枪声，把特务团压得无法展开。特务团警卫连连长唐万成端起一挺机枪，率领一个班从斜坡上猛压下去，拼死冲到窑洞前，随即甩出一批手榴弹。顿时，窑洞里黄烟滚滚。随后，从里面窜出来20多个日军。唐万成端起机枪一阵猛打，10余个日军立时毙命。他刚要往前冲，窑洞里敌人的机枪又响了起来。唐万成的一只手臂被子弹击中，机枪落到了地上。冲在前边的排长赶紧跑过去，将滚落到日军前的机枪抢了回来，随即打出一梭子弹，众人这才脱险。
原来，日军将这排窑洞全打通了，每个窑洞都筑有机枪阵地，既可独立构成一个火力点，又可与其他窑洞互相掩护、互相支援，形成交叉火力网。机枪阵地前还挖有防弹壕，如果手榴弹没有扔到位，掉到防弹壕里，就难以对日军构成威胁。窑洞外也挖了工事，构成了里外相连、窑窑相通的循环作战工事。特务团不知道此中情况，在同日军争夺窑洞时，付出了不小的代价。欧致富一看情况不妙，立即命令各营暂停攻击，待大部队发起攻击后，再里应外合歼灭敌人。
八路军向关家垴日军发起全面进攻，但因地形不利伤亡较大
10月30日凌晨4时，八路军总部指挥所发出了总攻击信号。随着几发炮弹准确地落到日军的前沿阵地，在日军火力尚未展开之际，八路军对关家垴和柳树垴同时发起了攻击。片刻间，枪声大作，杀声震天。
决死第一纵队三十八团担任攻打柳树垴的任务。攻击发起前，彭德怀亲自来到该团阵地前沿进行动员：“同志们，你们决死队，要向谁决死呀？”“向日本鬼子！”战士们响亮的回答震荡山谷。彭德怀满意地点了点头。他用手指着日军的阵地说：“好！前面打仗的地方，有好几百个日本鬼子被我们包围了。我们今天要消灭他们，你们就是要向他们去决死。我们抗日根据地有一条规定，凡是没有带路条的人，就不能让他走。”八路军副总司令亲自作战前动员，这让决死第一纵队三十八团的指战员备受鼓舞，他们的战斗情绪一下就被调动起来了。“坚决消灭日本鬼子！”当总攻信号发起后，早已铆足了劲的三十八团指战员迅速向柳树垴冲去。双方随即在柳树垴展开了激烈的争夺和反争夺。经过两个小时的激战，决死第一纵队三十八团终于在天亮时抢占了柳树垴。
在决死第一纵队三十八团攻击柳树垴的同时，八路军其他各部则向关家垴之敌发起了攻击。由于地形过于复杂险要，日军武器又精良，八路军每攻下一个阵地、每前进一步都要付出不小的代价。日军虽然伤亡不小，但没有撤离逃跑的意思。显然，他们知道，一撤离阵地就必然会遭到数倍于己的八路军的分割包抄而被歼灭，他们要利用关家垴的有利地形，困守待援。
10月30日上午9时左右，关家垴上空飞来了几架日军飞机，并开始对关家垴进行狂轰滥炸。关家垴地方小，八路军投入进攻的兵力多，日军飞机的轰炸给八路军以很大的威胁，八路军不得不暂时停止进攻。日军飞机狂轰一番后掉头而去，八路军各部继续向当面之敌展开进攻。就在这时，决死第一纵队三十八团与二十五团调整部署时，因战场经验不足，遭到日军的猛烈反击，一度被三十八团攻占的柳树垴又被日军夺了回去。战场形势的这一变化是彭德怀、左权未曾想到的，也影响了其他部队对关家垴的进攻。接到报告后，彭德怀、左权立即命令陈赓组织兵力进行反攻。于是，八路军在进攻关家垴的同时，不得不重新组织三个营的兵力反攻柳树垴。然而，连续攻击了四次，其中一个营还加攻了三次，并有两次攻上了山头，但由于地形和几支部队协同及火力配合欠佳，虽给日军以很大杀伤，却未能夺回失去的主阵地，只好与日军形成对峙。八路军自身伤亡也较大。
在关家垴，三八六旅七七二团正由东北方向攻击前进。由于攻击地形十分不利，能接近敌人阵地的只有一条约0.3米宽的小道，战斗打得异常残酷。战士们一次又一次地攻击，一个台阶一个台阶往上爬，反复与日军短兵相接，伤亡极大。战至中午，七七二团一营原本70多人的一连只剩下3人；50多人的三连只剩下指导员和2名伤员；近70人的四连只剩下10余人。午后，一营剩下的人员在营长蒲大义的带领下仍继续配合兄弟部队向日军攻击。14时，当一营参加进攻的部队被兄弟部队换下来时，只剩下6人。战况之惨烈可见一斑。
三八五旅七六九团从西北方向攻击关家垴。这一面，是一个约20米高的陡崖，快到崖顶的地方，有一个略凸出来的壕坎，上面是30多米长的一个斜坡，一直通到关家垴山顶日军的前沿阵地。攻击前，七六九团突击部队曾借助攀登工具和陡崖上的野藤爬到壕坎处，但被日军发觉，日军随即用火力封锁了斜坡。因地形所限，七六九团突击部队既无法发起冲锋，又无法压制日军火力，反被日军压制在壕坎处无法行动。七六九团的后续部队也因地形的限制无法投入战斗。
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