战场形势的变化，出乎彭德怀、左权所料。彭、左迅即命令陈赓反攻。于是，八路军在进攻关家垴的同时，不得不抽出三个营的兵力再攻柳树垴。连续攻击了四次，甚至有两次攻上了山头，最终却未能夺回失去的柳树垴主阵地。
进攻关家垴同样艰难。386旅772团在东北方向的攻击，由于攻击地形十分不利，能接近日军阵地的只有一条约1尺宽的小路，战斗打得异常残酷。战士们一次又一次地攻击，一个台阶一个台阶往上爬，反复与日军短兵相接，伤亡极大。战至中午，772团1营原本70多人的1连只剩下3人;50多人的3连只剩下指导员和2名伤员;近70人的4连只剩下10余人。午后，1营剩下的人员在营长蒲大义的带领下仍继续配合兄弟部队向日军攻击。14时，当1营被兄弟部队换下来时，只剩下6个人。
385旅769团从西北方向攻击关家垴。这一面，是一个约20米高的陡崖，快到崖顶的地方，有一个略凸出来的壕坎，上面又是一条30多米长的斜坡，一直通到关家垴山顶日军的前沿阵地。攻击前，769团突击部队曾借助攀登工具和陡崖上的野藤爬到壕坎处，但被发觉，日军随即用火力封锁了斜坡。受地形所限，769团突击部队既无法发起冲锋，又无法压制日军火力，反被日军压制在壕坎处无法行动，他们的后续部队也困在后面无法投入战斗。
上午9时左右，关家垴飞来了几架日军飞机，进行狂轰滥炸。关家垴地方狭小，八路军投入进攻的兵力密集而无处躲藏。轰炸造成很大伤亡，不得不暂停进攻。
对关家垴的争夺进行了5个小时，八路军攻占了附近的数处高地，但仍拿不下主阵地。
