晋北山区初秋雨后的清晨，天气已非常寒冷，在沟沿上趴了大半夜的八路军官兵都冷得打哆嗦。115师指挥所设在了部队后方约2公里处的一个小山头的侧面。以往很多记载，说此处可以用望远镜看到沟底下的日军打着旗帜行进的情景，记者戴着我军现装备的8倍望远镜，却只能看到模糊的一带沟沿。终于，当满沟的鬼子兵、汽车、大车和马匹全部浑然不觉地装进了"口袋"时，趴在沟沿上的八路军战士都兴奋得没了一点寒意。随着一声令下，3发信号弹升空，战斗打响了。
突然间，手榴弹、迫击炮弹如冰雹从天而降，接着，数十挺机枪和数千支步枪同时向沟底射出密集的弹雨。当时代理第343旅参谋长的孙毅将军在回忆录中写道，遭此打击，"日军汽车撞汽车，人挤人，马狂奔，指挥系统一下子就被打乱了。"
按排兵布阵，第343旅(旅长陈光)第685团团长杨得志"掐头"，第686团团长李天佑"拦腰"，第344旅旅长徐海东直接指挥所辖第687 团(团长张绍刚)"断尾"。最南端沟口的几辆日军汽车被第685团击毁，马上堵死了整个狭窄的山谷。该团从关沟、辛庄之间的高地截击，封闭日军南窜之路，同时阻击东跑池日军回援；第687团则将后尾日军部队分割包围在蔡家峪和西沟村，并抢占了韩家湾北侧高地，切断日军的退路；杨成武的独立团和刘云彪的骑兵营，则向更远的灵丘方向活动，阻敌增援，保障主力侧翼安全。担任主攻的第686团则集中火力，消灭老爷庙至小寨村这段最深沟壑里的日军。
在一份日本方面的资料中，后来突围余生的日军士兵描述"红军"(即八路军)在此次作战中的特点时说："他们子弹不多，似乎有一个不成文的原则：打出三枪就冲锋。"很快地，八路军就冲下了深沟，与日军展开白刃战！
