15时，薛岳命令各部队选拔勇壮士兵200至500人组成奋勇队，担任先头突击。

同时各部长官一律靠前指挥，薛岳自己也亲临一线。18时，炮火准备。19时，奋勇队出击，各主力部队紧随其后，向箭炉苏、万家岭、田步苏、雷鸣鼓刘、杨家山等地全线攻击。各部队前赴后继，踏尸猛冲。经一夜血战，106师团的防御阵地彻底崩溃。

激战至10日晨，第66军收复万家岭、田步苏，第4军收复大金山西南高地和箭炉苏以东高地，第74军收复张古山，第91师收复杨家山东北无名村，第142师收复杨家山北端高地。战斗中，第4军前卫突击队曾突至万家岭第106师团司令部附近不过百米，因天色太黑，加之自身也伤亡重大，未能及时发觉松浦中将。

而据战役结束后一名鬼子俘虏供认：

“几次攻至师团部附近，司令部勤务人员，都全部出动参加战斗，师团长手中也持枪了。如果你们坚决前进100米，师团长就被俘或者切腹了。”

11日，第106师团残部千退守雷鸣鼓刘、石马坑刘、桶汉傅、松树熊等不到5平方公里的地区内固守待援。冈村宁次严令包括刚攻下富池口要塞的第9师团和波田支队在内的各部不惜代价，增援万家岭。

鉴于基本歼灭106师团的主要目的已经达到，而各部队伤亡均极惨重，薛岳命令各部撤出战斗，全军退守永丰桥、郭背山、柘林一线。随后，薛岳电禀武汉军委会：

“此次敌穿插迂回作战之企图虽遭挫折，但我集中围攻，未将该敌悉歼灭，至为痛惜。”

至此，万家岭作战结束；而鬼子第106师团哪怕想极力掩盖死伤，也只敢向第11军和华中派遣军司令部上报：

“我军玉碎3300多人，此外伤病住院9900余人……”