中午时分，日军的先头部队到达黄土岭东面的寨陀村，但主力却还在上庄子一线。直到下午3时许，后卫部队才离开黄土岭。阿部是故意把部队拉得这样长，想通过这种方式使八路军的伏击圈装不下他的全部兵力。尽管如此，日军还是一步步踏进了伏击圈。八路军一直耐心地等日军大部分都进入伏击圈后，才开始攻击，第1团、第25团迎头杀出，第3团和第2团从两翼，形成西南北三面合击之势。八路军集中4个主力团的100余挺机枪从各个山头向日军猛烈射击，然后发起冲锋。经过反复冲杀，日军被压缩在黄土岭、上庄子附近一条长约1000米、宽仅有百十米的山沟里。
阿部很清楚，留在这里只会被动挨打，要想有一线生机，就必须强行杀开血路。于是他组织部队向寨坨村方向猛冲，但遭到八路军顽强阻击，便又改变方向，掉头向西，妄图从黄土岭方向突围逃回涞源。在黄土岭一线的3团坚守阵地，苦战不退。好在120师特务团及时赶到，从3团的左侧加入战斗，终于挫败了日军的突围企图。
16时许，战斗正在激烈进行，1团团长陈正湘发现黄土岭与上庄子之间的教场村(距离黄土岭约1000米)附近，一座独立院落不时有日军军官进出，判断为日军指挥所，于是立即调军分区炮兵连进行炮击。
