悲壮的胜利
从武乡县、辽县出动的2500多人的日军增援部队正在向关家垴挺进，黎城等地的数千名日军机动部队也在向关家垴靠拢。385旅和新编第10旅已与增援的日军交上了火。陈赓又派出一个团前去支援。关家垴之战，已打成了一场八路军4个旅(决死队1个旅含2个团)与4000多日军的大会战。
八路军腹背受敌，但彭德怀还是决意拿下关家垴。刘伯承、陈赓见彭德怀如此坚决，只得组织部队继续攻打，力争在日军增援部队到来前解决冈崎大队。
10月31日16时，第三次总攻开始。彭德怀一声令下，总部炮兵阵地的迫击炮连续不断地向日军占据的主阵地轰击。总部特务连和772团第一连组成的突击队在前面开路，大部队紧跟而上。八路军打得很英勇，日军抵抗也同样顽强。又是整整一个晚上，八路军始终没能完全占领阵地。
11月1日，日军增援部队，在10余架飞机的掩护下逼近关家垴。再不撤，眼看将要被日军包了饺子。彭德怀终于下令撤出战斗。冈崎大队的余部突围了，日军对关家垴周围地区进行了疯狂的报复，数天之内屠杀群众6000余人。
关家垴战斗，交战双方都付出了重大的代价。几天后，彭德怀、左权、刘伯承、陈赓等人一齐登上关家垴，仔细察看了日军构筑的临时工事、暗堡掩体、火力配置。刘伯承指示随行的参谋人员将敌人的阵地一一绘制成图。当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。
彭德怀挨批，心感不安
关家垴战斗持续了两昼夜，但有关这次战斗的批评和争议却持续了几十年。中国共产党对外一直对百团大战完全肯定，但内部对于百团大战的评价却随时间的变迁有一些变化。
百团大战刚结束时，中共中央对此十分肯定。随着1941、1942年日军大"扫荡"导致八路军极端困难后，对百团大战的批评声音渐高。毛泽东在肯定百团大战功绩的同时，对其存在的问题提出了批评。他特别对百团大战的宣传很不满意。聂荣臻回忆：毛主席批评说，这样宣传，暴露了我们的力量，引起了日本侵略军对我们力量的重新估计，使敌人集中力量搞我们。同时，使得蒋介石增加了对我们的警惕。你宣传100个团参战，蒋介石很惊慌。
