דדי עצמו התקדם יחד עם מחלקה נוספת בתעלה המזרחית. בתחילה הייתה ההתקדמות קלה, והדיווחים מהמחלקה בתעלה המרכזית יצרו אצל מפקד הפלוגה את הרושם המוטעה שההשתלטות על הגבעה תהיה קלה ולא יהיה צורך בסיוע מפלוגה אחרת. תמונת הקרב הזו הייתה מוטעית; דדי לא הבין שטרם התרחשה ההיתקלות עם הכוח העיקרי במוצב, ולפיכך דיווח למג"ד כי די בכוחו שלו בלבד להכרעה מהירה של מוצב גבעת התחמושת, והמג"ד הסיק מדיווח זה כי ניתן להמשיך במשימה הבאה - היאחזות במלון אמבסדור. הוא הורה לפלוגות א' ו-ד' להמשיך לכיוון המלון ואלו אכן כבשו את הצומת האסטרטגי של שייח' ג'ראח.
ואולם כאשר הגיעו הצנחנים לחלקה הצפוני של הגבעה החלה תמונת הקרב להשתנות. הכוח שלחם בתעלה המרכזית נתקל בהתנגדות קשה מול בית הטלוויזיה, ונחשף לאש הלוחמים הירדנים שבגבעת המבתר ובחלקה הצפוני של הגבעה עצמה. הכוח ספג אבדות רבות, ובשלב מסוים נותר מפקד הפלוגה עם שמונה לוחמים בלבד. הכוח השלישי שנותר, כאמור, בשלושת הבתים הצטרף ללחימה והחל לנוע בתעלה המרכזית, משם עבר לתעלה קצרה שהייתה בין התעלה ההיקפית המזרחית לתעלה המרכזית. כוח זה, בפיקודו של איילון, כבש את בונקר הפיקוד.
מחלקתו של יורם שהגיעה למרכז הגבעה כבשה את מבני המגורים שעמדו שם, והמשיכה צפונה, שם ניהלה קרב עם עמדת תותח ללא רתע (תול"ר), בו נהרג המ"מ יורם. מ"מ נוסף שהיה במקום, , נטל את הפיקוד והצליח להשמיד את התול"ר, ומשם להגיע אל הקטע הצפוני של התעלה ההיקפית. כך היו שלוש המחלקות של פלוגה ג' כל אחת על ציר נפרד: יחידה אחת ליד בית הטלוויזיה, יחידה שנייה ליד צריפי המגורים ויחידה שלישית בקרב מר לכיבוש תעלות הקשר המרכזיות. דדי הבין שמצב פלוגתו חמור, ושללא תגבורת לא יצליח להשתלט על הגבעה; הוא החליט להזעיק את פלוגה ב', בפיקוד דודיק, לעזרה.
שלב שני: כניסת פלוגה ב' לקרב.
הלחימה בגבעת התחמושת נכנסה לשלב האינטנסיבי ביותר. תגבורת ראשונה שנשלחה לגבעה הייתה מחלקה מפלוגה א', שכזכור המשיכה הלאה לכיוון שייח' ג'ראח. מחלקה אחת, בפיקודו של , שהייתה עסוקה בכיבוש בתים ממזרח לגבעה, נשלחה לסיוע לפלוגה ג'. המחלקה נכנסה לתעלה המזרחית והמשיכה בעקבות מחלקתו של מילר, שנבלמה כאמור מול "בית הטלוויזיה". מחלקה זו הצליחה להמשיך צפונה ולחמה באיטיות בחלקה הצפוני של התעלה ההיקפית, מול התנגדות עזה. הכוח בפיקודו של צביקה חבר אליה מאוחר יותר, וכך גם הכוח בפיקוד של אילון שכבש את בונקר הפיקוד; כוחות אלה התקדמו בתעלות לכוון התעלה המערבית והבונקר הגדול שהיה במרכזה. בשלב זה עלה השחר, ולאורו נחשפו הצנחנים לעיני החיילים הירדנים הן בבונקרים של הגבעה והן לחיילים ירדניים שישבו במוצב גבעת המבתר. רוב הלוחמים נפגעו וממחלקות שלמות נותרו רק קומץ של לוחמים.
משנודע למג"ד על המצב הקשה בגבעת התחמושת הוא הורה למפקד פלוגה ב' להיכנס לגבעה. מפקד הפלוגה, דודיק, הורה לסגנו ניר ניצן לנוע בתעלה המערבית, והוא המשיך לכיוון התעלה המרכזית. עם תנועתה אל תעלות הקשר נכנסה הפלוגה לשטח ההריגה שנקרא, כאמור, משולש האש; מיד נפגעו מפקדים ולוחמים נוספים. דודיק הצליח להמשיך בהתקדמותו אל התעלה המרכזית ובמהלך ההתקדמות וההשתלטות על התעלה פגש ליד בתי המגורים את דדי, מ"פ ג', שדווח לו על מצבה הקשה של פלוגתו. דדי סיפר שיש לו נפגעים רבים וכי הלוחמים המעטים מפוזרים ברחבי המוצב. הלחימה בתעלות הקשר נמשכה, מספר הפצועים וההרוגים המשיך לעלות ולא הושגה הכרעה.
פלוגה ב' הייתה מפוצלת בשלב זה לשני כוחות: כוח אחד, בפיקוד המ"פ דודיק, שלחם בתעלה המרכזית, וכוח שני, בפיקוד הסמ"פ ניר, שלחם בתעלה מערבית. בין שני הכוחות פעלה מחלקתו של המ"מ , שהסתערה על משולש האש. בשלב זה הגיעו שני טנקים לגבעה. היו אלה הטנקים אשר ריתקו קודם לכן באש את מוצב גבעת המבתר והופנו עתה על ידי הסמג"ד דורון לגבעת התחמושת. יואב ביקש את חיפוי הטנקים, ובעזרתם הצליחו למוטט את הבונקרים הירדניים בשטח ההריגה ולכבוש את התעלה הרוחבית. יואב עצמו נהרג במהלך ההסתערות האחרונה על הבונקרים. הלוחמים הנותרים המשיכו בהתקדמותם עד אשר הגיעו למקום בו התחברה התעלה הרוחבית עם הקטע המערבי של התעלה ההיקפית, מקום אשר כונה מאוחר יותר "צומת הפצועים".
במקביל המשיך הסמ"פ ניר ניצן, להתקדם, בראש עשרה לוחמים, בתעלה ההיקפית המערבית. ההתקדמות הייתה איטית וקשה. כל שלושה מטרים ניצב בונקר, שהיה מאויש בלגיונרים שירו אש כבדה והשליכו רימוני יד. מעבר לבונקרים, היו מחוץ לתעלה ליגיונרים רבים, שנמלטו מעמדותיהם וירו מבחוץ אל החיילים הישראליים שהיו בתוך התעלות. ניר חשש שהכוח בפיקודו, שהיה בעמדת נחיתות בתוך התעלה, ייפגע מאש זו. הוא החליט לשלוח מקלענים אל מחוץ לתעלה כדי לחפות על הכוח. ראשון יצא המקלען ישראל צוריאל, שחיפה מבחוץ עד שאזלה תחמושתו והוא חזר פנימה. אחריו יצא נפתלי כהן, שחיפה מבחוץ ברובהו עד שנפצע וחילץ את עצמו לאחור. ניר פקד כעת על המקלען איתן נאוה לצאת מחוץ לתעלה. מעשה הגבורה של איתן הונצח בשירו של יורם טהרלב, גבעת התחמושת, במילים שצוטטו מפיו של הסמ"פ, ניר ניצן:
עם נפילתו של איתן עלה שוב המקלען צוריאל במקומו; הצנחנים המשיכו הלאה בחיפוי שלו מבחוץ, והשאר כבשו את התעלות עד שהגיעו בסמוך לבונקר הגדול. עתה ידוע כי בשלב זה נותרו בצפון הגבעה 11 לוחמים ירדניים, שלושה מהם בבונקר הגדול. השאר הצליחו לברוח ולסגת לעבר תל שועפט.
שלב שלישי: הבונקר הגדול וסיום הקרב.
הבונקר הגדול היה עמדת מקלע כבד, יצוקה בטון מזוין בעובי 40 ס"מ ומחופרת היטב במרכז התעלה ההיקפית המערבית. הבונקר היה בנוי חדר בתוך חדר. החיילים הירדניים שהיו מבוצרים בעמדה, ישבו למעשה בתוך בונקר הנמצא בתוך בונקר, ולהם תחמושת ונשק לרוב. הבונקר נמצא בנקודה קריטית: כל הכוחות שפעלו בגבעה התכנסו לכיוונו, מן התעלה ההיקפית מצפון (מחלקת עופר והכוח של צביקה) מן התעלה ההיקפית מדרום (הכוח של ניר) וממרכז הגבעה (הכוחות של פלוגה ג'). יקי חץ (חיימוביץ) שהפך להיות חיל החוד של הכוח מפלוגה ב' שהגיע מצפון, מצא עצמו מול פתח הבונקר והשליך פנימה רימון. לאחר קרב יריות ורימונים החליט יקי להיכנס בזהירות לתוך הבונקר, נתקל בחייל ירדני והצליח לפגוע בו.
הצנחנים, שהבינו את מבנהו של הבונקר, ניסו לשתק אותו בעזרת מטול רקטות נגד טנקים, "בזוקה". ואולם, שתי פצצות שנורו גרמו נזק מועט בלבד לבונקר המבוצר היטב. לאחר שגם ניסיון זה לא הצליח לשתק את העמדה נעשה ניסיון לפגוע בעמדה בעזרת אחד משני הטנקים שפעלו על הגבעה, אך הטנק לא יכול היה להנמיך די הצורך את תותחו כדי לפגוע בבונקר. יהודה קנדל יצא מהתעלה, זחל לכיוון הבונקר, טיפס על גג העמדה, התכופף ושילשל לתוכה רימון. בכך איפשר לחיילים אחרים להגיע לבונקר ולהניח מטעני חומר נפץ. כוח נוסף שהגיע הביא חומר נפץ שהונח על הבונקר; 16 ק"ג של חומר-נפץ הופעלו והבונקר הושמד בבוקר ה-6 ביוני. זה היה סיומו של הקרב.
הלוחמים שנותרו בחיים התארגנו לפינוי הנפגעים, וחוליות נוספות סרקו את התעלות וריכזו את הפצועים. הכוחות עדיין היו תחת אש מגבעת המבתר, קרב יריות שנמשך עד לשעה 12:00, בה כבשו כוחות מחטיבה 10 את מוצב גבעת המבתר.
יום למחרת הקרב, נכנס כוח מפלוגה ב' של משמר הגבול, בפיקוד מפקד הפלוגה צבי בן אליהו, והשתלט בפעם השנייה על גבעת התחמושת. ההשתלטות ארכה כ-8 שעות ובמהלכה נאספו כ-60 שבויים ירדניים.
36 צנחנים נהרגו בקרב זה - 21 בגבעת התחמושת ו- 12 בתעלות הקשר המתחברות אל הגבעה. כ-70 חיילים ירדניים נהרגו בהגנה על גבעת התחמושת - כמחצית הכוח שהיה במוצב.
עיטורים.
חמישה עשר לוחמים בקרב זכו לעיטורים שונים:
ביקורת ומחלוקת.
במהלך השנים נשמעו ביקורות על הקרב ודרך ניהולו, בקרב לוחמי החטיבה ובין היסטוריונים צבאיים, כמו אורי מילשטיין. מספר הנופלים הגבוה, וההרגשה כי הקרב עצמו לא היה הכרחי, הלהיטו את הוויכוח. הטענות נגעו לנשק שאותו נשאו הלוחמים - נשק ארוך קנה (רובים מדגם FN), שלא התאים ללחימת תעלות; למידע ולאימון - הצנחנים לא ידעו דבר כמעט על גבעת התחמושת; וכן לעצם נחיצות הקרב - גבעת התחמושת על מגיניה הירדניים המחופרים בבונקרים לא היוותה איום על כיבוש ושליטה מלאים בירושלים, וניתן היה - על פי המבקרים - לכתר את הגבעה מבלי לכבשה ולהניח ללוחמים הירדניים להיכנע עם ניתוקם מהצבא הירדני.
יודגש כי הביקורת לא הייתה על הלוחמים שלחמו על הגבעה, אלא התמקדה בפיקוד החטיבה ופיקוד מרכז.
מודיעין.
לפני מלחמת ששת הימים, נאסף מידע מודיעיני רב על המערך הירדני, אך לקראת ההתקפה קיבלו קציני המודיעין של הצנחנים שני תצלומים של היעד בלבד. בכתבתו הקרב על הקרב על ירושלים שפורסמה בעיתון הארץ מצטט הכתב אנשיל פפר את מיכה עשת קמב"ץ גדוד 66, שסיפר: "...אפס חומר מודיעיני. מוטה לקח את המג"דים לסיור אבל כל מה שהיה זה תצפית שראו בעין, לחלקנו הייתה היכרות עם הקו העירוני מקורס מ"פים אבל שום תוכניות להתקפה. לפני הקרב ראינו בקושי את הצללית של בית הספר לשוטרים". כן מצוטט בכתבה עמוס נאמן קצין האג"מ בחטיבה הירושלמית שמספר כי הוא העביר לקציני הצנחנים את כל המפות ותצלומי אוויר שהיו על קירות המפקדה.
השיר.
הקרב על גבעת התחמושת הונצח בשיר בשם "גבעת התחמושת" שכתב יורם טהרלב כמה חודשים לאחר המלחמה והלחין יאיר רוזנבלום.