杨成武见日军进入伏击圈便下令开火，3团、2团从东西两侧同时开火，1团迅速迂回到峡谷北口切断日军退路，3团一部则同时以火力封锁住了峡谷南口，这一来辻村的一大队完全成了瓮中之鳖。在八路军突然而猛烈的攻击下，日军死伤惨重，但残部据守两处阵地顽抗，最后八路军展开白刃战才解决战斗。
激战至下午4时许，500多日军除了100多人寻隙逃脱、13人被生俘外，其余400人包括辻村宪吉在内全部被击毙，这一路日军的重武器，包括2门九四式75毫米山炮、2门70毫米九二式步兵炮、3挺重机枪、6挺轻机枪全部被八路军缴获。用八路军的话来说，杨成武这回可真是发了"洋财"。
特别要说明的是，日军高层由于考虑到独立混成第2旅团有可能会对苏联、蒙古作战，刚刚优先换装最先进的九四式75毫米山炮，本来第1大队是没有装备的，这次为了扫荡八路军特意给它加强了一个原由旅团直属的、装备2门山炮的山炮小队，没想到等于是专门赶了几十里山路给八路军送大礼。
名将之花
和日军打了多年交道，八路军深知其骄横成性，把武士道的尊严看得比什么都重，一旦吃亏后，必然会来报复。所以一分区部队在雁宿崖伏击战结束后，立即撤离战场，隐蔽于适当位置，待机再战。
