16时整,随着彭德怀一声令下,总部炮兵阵地上的迫击炮连续向关家垴轰去。不一会儿,冲锋号响了,八路军参战各部再次向柳树垴和关家垴之敌发起了攻击。此时,七六九团已成功地挖通了通往关家垴山顶的暗道。发起冲锋后,七六九团再次组织火力对日军进行猛攻,同时派出突击部队攀登上陡崖,其中的一部分从暗道里向关家垴山顶爬去,一部分隐蔽在壕坎下面。关家垴山顶的日军以为八路军又要从斜坡往上攻,正全神贯注地盯着前面的斜坡,没想到屁股后面突然冒出了八路军。一阵手榴弹响过之后,关家垴山顶阵地上的日军顿时陷入混乱之中。隐蔽在壕坎下的七六九团突击部队则趁势迅速冲了上去。双方随即在关家垴山顶展开激战。此后,七六九团后续部队不断攻上关家垴山顶,加入战斗,并最终控制了关家垴的制高点。同时,七七二团和决死第一纵队二十五团、三十六团等部也先后攻上关家垴。经过激烈的肉搏,日军大部被歼,残敌则退到了半山腰村子里的窑洞中,负隅顽抗。
随后,攻上关家垴的八路军各部对据守窑洞的日军继续进行攻击。残敌则依托工事,拼死抵抗,火力仍然很猛。由于八路军缺少重型武器,围歼残敌的战斗进行得也比较缓慢。直至深夜,仍有数十名日军据守在窑洞中,未被歼灭。柳树垴上也有一小股残余日军未被歼灭。
11月1日,日军1500多人的增援部队,在10余架飞机的掩护下逼近关家垴。鉴于关家垴被围之敌已基本被歼灭,来援之敌又过多,不便同日军再战。为保持主动,彭德怀与左权命令部队停止攻击,撤出战斗。残敌60余人则在援敌接应下仓皇逃走。
随着对百团大战认识的深入,大家提出了不同意见
此次战斗,八路军以绝对优势兵力围攻日军一个大队,激战两昼夜,未能全歼敌人,个中有许多教训值得总结。
几天后,彭德怀、左权、刘伯承、邓小平、陈赓等人一齐登上关家垴,仔细查看了日军的临时工事、暗堡掩体、火力配置。随行的参谋人员也将敌人的阵地一一绘制成图。刘伯承看到日军挖的众多“猫耳洞”,人躲藏在里面非常安全,很受启发。他说:别小看这小小的招式,非常实用,凭我们现有的武器还真难对付。日军善于利用地形、善于构筑工事、合理配置火力的实例,使身经百战的八路军将领很受启发。
关家垴之战,八路军以劣势装备对武器精良的日军实行攻坚战、阵地战,共歼灭冈崎大队400多人,大队长冈崎歉受也被打死。这次战斗,沉重打击了日军的嚣张气焰,使其受到巨大震撼,从而基本上结束了日军一个大队可以在抗日根据地内横冲直撞的局面,日军的小股部队再也不敢轻易出动。陈赓说:“这次胜利告诉敌人,太行山并不是无人之境,可以由他大摇大摆、横冲直撞的。”不过,八路军在这次作战中也付出了相当大的代价,共伤亡600余人。这也是此次战斗引起争议的主要原因之一。
有人说,关家垴战斗,彭老总来了犟劲。在随后的几年抗战中,随着对百团大战认识的逐步深入,中共中央及一些八路军将领从总结教训的角度,指出了百团大战中存在的一些缺陷和不足。对于诸如关家垴战斗之类的作战到底是否应该打,大家提出了不同意见。
为了表明个人对百团大战的看法,彭德怀曾亲自找到毛泽东就此问题交换意见。他说:我认为,华北抗战,基本上是执行了中央的正确路线的。毛泽东则说:不,不是什么基本上,而是执行了中央正确路线的。彭德怀又说:百团大战后期,在反“扫荡”作战中,太行区有两个旅(即参加关家垴战斗的三八五旅、三八六旅)打得比较艰苦些,伤亡也比较大些。毛泽东则说:战争嘛,总是要有伤亡的,最主要的是通过战争锻炼了我们的部队。
后来,彭德怀在其自述中也谈到为什么要打这一仗:“在敌军‘扫荡’时,日军一般的一个加强营附以伪军为一路,我总想寻机歼灭敌军一路,使敌下次‘扫荡’不敢以营为一路,以使其‘扫荡’的时间间隔扩大,有利于我军民机动。我这一想法是不符合当时实际情况的。因部队太疲劳,使战斗力减弱了,使一二九师伤亡多了一些。”
当年曾参加这次战斗的八路军总部特务团团长欧致富回忆说:“彭老总坚持要打关家垴战斗,还有一个意图:八路军是坚持敌后抗战的主力军、正规军,不但要会打游击;必要时,也得猛攻坚守,顽强拼杀,敢于啃硬骨头。”
时任决死第一纵队政治委员的薄一波回忆说:“彭老总向我调决死队两个团参加战斗,我是很积极的。战斗中损失固然大,但这两个团也打出来了,成为决死队战斗力最强的两个主力团。”

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