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12月7日，蒋介石决定反攻，目标是“攻略昆仑关而后收复南宁”。15日，白崇禧以桂林行营名义发出第一号反攻令：以北路军第5军主攻昆仑关。
12月16日，第5军军长杜聿明召开团长以上军事会议，布置对昆仑关之攻坚战，制定了“关门打虎”的包围全歼战术，命令以戴安澜第200师、郑洞国荣誉第1师正面主攻昆仑关；邱清泉新编第22师为右翼迂回部队，由小路绕过昆仑关，打击南宁方面日本援兵；彭璧生率第200师两个补充团侧击昆仑关之外，堵住其退路并阻击援军。
18日凌晨，战斗打响，中日两军最精锐部队在昆仑关碰撞了！
防守昆仑关的日军第5师团主力第21旅团的松本总三郎大队，以炮火和飞机对中国军队进行了猛烈的轰炸，第5军的重炮兵团以及各师炮营同时开火，炮火延伸后，戴安澜指挥第200师与荣誉第一师开始攻坚，至夜晚，荣一师攻占了昆仑关附近的几个高地；第200师攻占了653、600两个高地，并一举攻占昆仑关主阵地。
19日中午，日军再次出动飞机狂轰滥炸，第21旅团的第21联队，由联队长三木吉之助大佐率领，夺回昆仑关。
昆仑关得而复失。21日，蒋介石对昆仑关战役进展缓慢不满，给桂林行营及各参战部队下达命令：“前方各部队与炮兵等，如有不积极努力进攻，或不能如限期达成任务者，应即以畏敌论罪，就地处置可也。”
在昆仑关主攻阵地上，调拨给第200师指挥的荣一师第三团团长郑庭笈，用望远镜发现九塘公路边大草地上有日军军官正集合开会，马上命令第一营以轻重机枪、迫击炮集中火力猛击。炮弹击中目标，敌军官死伤惨重，乃至后来不得不空投军官来补充作战。日军第21旅团长中村正雄少将即是被炮火击中于24日身亡的。
12月23和24日，仅第5军正面进攻的两个师，伤亡就达2千余人，日本军伤亡也在千人以上。昆仑关日军工事非常坚固，上两层下一层碉堡，构成交叉火力，中国军队攻击受阻。
战斗空前惨烈。戴安澜将军亲率两个团兵力，以大刀、铲刀和血肉之躯，一路斩草开路，割破日军设下满山遍野的铁丝网，向昆仑关最后一道大门——界首阵地发起猛攻。
界首高地位于昆仑关北，是日军最坚固的据点。戴安澜指挥郑庭笈团，于28日晚开始攻击界首高地，尽管敌机在头上扫射、轰炸，该团士气旺盛，不顾牺牲顽强进攻。中国士兵组成敢死队，以手榴弹塞进日军据点的枪眼，不怕牺牲，终于在29日上午攻克界首高地，郑庭笈团9个步兵连，其中7个连长伤亡，指挥官身边的司号长也中弹牺牲。
12月31日，中国反攻军队肃清了昆仑关全部残敌。打扫战场时，在中村正雄尸身上搜出了一个日记本，该旅团长在战死前写到：“帝国皇军第5师第21旅团之所以在日俄战争中有‘钢军’称号，那是因为我的顽强战胜了俄国人的顽强。但是，在昆仑关我应该承认，我遇到了一只比俄国军队更顽强的军队”。
日本战后公布，在昆仑关战役中，日军第5师团第21旅团，包括中村正雄少将旅团长、第42联队长坂田原一大佐、第21联队队长三木大佐以及第1、2、3大队的长官，该旅团班以上的军官死亡达85%，士兵死亡4千余人。日军统帅部收到的报告中也称：“在昆仑关地带，中国军队比任何方面都空前英勇，值得我军敬意。”战后的日军战史也称，昆仑关战役是：“中国事变以来，日本陆军最为暗淡的年代。”“中国军队攻势的规模很大，其战斗意志之旺盛，行动之积极顽强，在历来的攻势中少见。我军战果虽大，但损失亦为之不少。”
昆仑关战役使日军第21旅团已经名存实亡。中国军队虽然伤亡14000余人，但基本干部仍健全。中国军队能全歼日军一个精锐旅团，基本消灭了其各级指挥官，首次以攻坚战打败日本“钢军”的战例，在中国战争史上，涂上了一笔浓彩。
戴安澜指挥的第200师因战功卓著，全师受国民政府集体嘉奖一次，参战人员提薪饷两级。师长戴安澜因指挥有方和重伤不下火线，荣获四级青天白日宝鼎勋章一枚，被蒋介石称赞为“当代之标准青年将领”。
会战中，中国的战车部队在与步兵的协调配合上，发挥了很大的作用。会战后，戴安澜在上报的《陆军第200师攻略昆仑关战斗详报》中，总结了战车战法：“敌常设各种侧防潜伏机关，攻击前应以小战车一辆先行搜索敌战防炮之位置，继以我战防炮及重炮兵器破坏之确实，将其消灭始可攻击前进。否则既不能发挥战车之威力，反遭无益之牺牲不若不用。例如，此次敌人在昆仑关作战不敢使用战车。战车使用无论攻防应构筑工事，以减少损害。”