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已经埋伏在关家垴下的特务团第3营听到垴顶隆隆的爆炸声，知道偷袭的2营正在与敌激战。3营在营长带领下一跃而起从南坡向上攻击前进。很快3营就攻到了南坡那一排被老百姓放弃的窑洞附近。
“上！上！”警卫连长未曾想如此顺利，兴奋地挥舞着手枪，指挥着战士们向上冲锋。
“嗒嗒嗒……嗵嗵嗵……”在战士们不经意间，左侧原本黑洞洞的几孔窑洞忽然“活”了起来，五条火蛇喷涌而出，带着令人心悸的弹流tian向正蜂拥经过窑洞旁的战士们。
窑洞中埋伏着敌人！一个分队长带领着40多鬼子早已在窑洞部署多时了。这是鬼子的第一道防线。鬼子两天的苦功没有白下，他们在军棍严厉督促下，将这排窑洞全打通了，每个窑洞都筑有机枪阵地，既可独立构成一个火力点，又可与其他窑洞互相掩护、互相支援，形成交叉火力网。机枪阵地前还挖有防弹壕，如果手榴弹没有扔到位，掉到防弹壕里，就难以对日军构成威胁。窑洞外也挖了工事，构成了里外相连、窑窑相通的循环作战工事。
3营的战士们瞬间倒下了一大片。其余的也被鬼子机枪死死的压制在窑洞附近。警卫连长唐万成也被压制在一个土坎后面，皱着眉头辩听着鬼子机枪扫射的规律与强度，几分钟后，他听出了对面窑洞中的鬼子武备比较强大，最少5挺机枪，还连带几十支步枪的射击声音。在这片狭窄的“开阔地”直接面对鬼子机枪冲锋，成功几率几乎没有。
唐万成弄明白鬼子的军械武力后，带领一个班的战士乘黑暗掩护，悄悄爬到了窑洞左侧的一个斜坡上，随后从斜刺里猛然压了下去。冲到了里窑洞口不远处，到了投弹距离，立刻率领着这班人马猛然投出了手榴弹。
“轰！轰！轰！”十几枚手榴弹相继爆炸，绝大部分手榴弹掉到了防弹壕里，只有一枚准确的投入了一孔窑洞中轰然爆炸。爆炸声起，鬼子的射击嘎然而止。原本被压制的抬不起头来的战士们蜂拥爬起，借着手榴弹爆炸的火光和烟雾，呐喊着向窑洞冲去。
“嗒嗒嗒……”鬼子的机枪又一次叫唤起来，狡猾的鬼子兵在手榴弹爆炸时刻起停止了射击，引诱八路军战士误以为机枪已被干掉，发起了冲锋。
密集的弹雨又一次肆虐，正大步狂奔的八路粹不及防又被打倒了几十个。
一轮弹雨过后，30多个鬼子兵哇哇叫着，持枪奔出窑洞，向伤亡惨重的警卫连发起了反冲锋。
日军凶狠异常，拼刺格斗技术全面优于八路军，很快就与剩余的警卫连战士撞到了一处，将伤残累累的警卫连挤下了山坡。
随后翻转身向离窑洞口不远处的唐万成带领的那一个班战士冲来。
唐万成率领战士们马上将注意力从窑洞口边抽了回来，卧倒在地架起枪支向向自己冲来的鬼子还击。一梭子弹打过去，翻倒了几个鬼子，但其余的鬼子借助各种掩护，依然跳跃着逼来。
离唐万成最近的一孔窑洞刚挨了一颗手榴弹，沉寂了半天，战士们来不及检验战果，见窑洞中半天没有出声，以为安全没在意。大意之下谁也没注意被炸烂了的窗户上边又颤巍巍伸出了一挺机枪的枪口。
“嗒嗒嗒……”鬼子机枪在近距离又一次吼叫起来，唐万成所带的一个班被窑洞中侧射火力打中，5、6个战士煞那间阵亡。唐万成被打中右臂，机枪落地。一个排长趁鬼子换弹匣的功夫，捡起机枪，照着冲上来的鬼子又打出一梭子弹，稍微阻止了一下鬼子的迫近。
己方优势已失，唐万成急促下达撤退命令，带领还剩下的几个战士从侧坡滚下，撤离了窑洞范围。
这一次短促的接触仗，八路军又一次吃了不小的亏。
团长欧致富一看情况不妙，立即命令各营暂停攻击，等待大部队发起攻击后，再行攻击。
一时间，响彻关家垴上的枪声停歇了下来，双方都在快速的抢救伤员，不再进行接触了。
凌晨3时30分，决死第一纵队三十八团就位，他们将担任攻打柳树垴的任务。
攻击发起前一刻，彭总亲自来到该团阵地前沿进行动员，借着东方的鱼肚白，彭总扫视了一眼在山谷中整齐列队的38团全体官兵，用其雄浑的嗓门向战士们喊道：“同志们，你们决死队，要向谁决死呀？”
“向日本鬼子！”战士们异口同声，巨大的声lang回荡在山谷之中，惊得柳树垴顶的鬼子伸头伸脑向下看。
彭总满意地点了点头。他用手指着日军的阵地说：“好！前面打仗的地方，有好几百个日本鬼子被我们包围了。我们今天要消灭他们，你们就是要向他们去决死。我们抗日根据地有一条规定，凡是没有带路条的人，就不能让他走。”
八路军副总司令亲自作战前动员，这让决死第一纵队38团的指战员备受鼓舞，他们的战斗情绪一下就被调动起来了，他们迅速回应：“坚决消灭日本鬼子！”
当总攻信号发起后，早已铆足了劲的38团指战员迅速向柳树垴冲去。双方随即在柳树垴展开了激烈的争夺和反争夺。经过两个小时的激战，决死第一纵队38团终于在天亮时抢占了柳树垴，消灭了垴顶坚守的鬼子一个小队。
在决死第一纵队38团攻击柳树垴的同时，八路军其他各部又向关家垴之敌发起了攻击。由于地形过于复杂险要，日军武器又精良，八路军每攻下一个阵地、每前进一步都要付出不小的代价。日军虽然伤亡不小，但没有撤离逃跑的意思。显然，他们知道，一撤离阵地就必然会遭到数倍于己的八路军的分割包抄而被歼灭，他们要利用关家垴的有利地形，困守待援。
柳树垴的硝烟还未散去，时间6时30分，马迁安率领着运送武器与弹药的新3团两个连与骑兵连风尘仆仆的赶到了柳树垴东坡谷底。
最后的路段是马迁安领的，他故意让向导将这一支马队领到了柳树垴的东侧。从黄崖洞出发后，坐在摇晃的马背上，马迁安就一直思索琢磨这个引起后世巨大争议的关家垴战斗。
从战略战术与政治意义上考虑，消灭一支在根据地里横冲直撞的鬼子部队都成为必要与必须。政治意义无须多言，在百团大战第一第二阶段取得巨大战绩的八路军，突然被鬼子突进根据地大肆烧杀破坏，反手打了一个重重的耳光，这是可忍孰不可忍！任由鬼子肆虐，根据地民众将怎么看八路军？会不会以为八路军外强中干，前期所取得的战果和成绩为虚假宣传？根据地外其他民众，其他各方势力怎么看？是否会认为八路军只会小打小闹，不是一支可以扭转乾坤的队伍？不打，政治上损失太大了。
况且，最重要的一点就是不能惯着鬼子，不把他打痛，他就会一直咬着你不放，把他打痛，鬼子就会老实一会儿，利于根据地发展。正所谓一拳不打，百拳来。不亮出獠牙狠咬一口，各方势力就会认为你是小绵羊，欺负你没商量。
但这场战斗的结果却不尽如人意，据陈旅长回忆，我军伤亡2000余人（其中阵亡1000多人），新十旅旅长阻援战斗中负伤，16团团长谢家庆率队攻击时阵亡，一大批营连长战斗骨干牺牲。日军阵地遗尸280余具（其中有大尉军官2人、中、少尉军官5人），另外还有三大堆骨灰。我军俘虏日伤兵2人，缴获步枪50多只，轻重机枪6挺。而据福冈刑务所作业课平成02年07月20日(1990年)发行的《晋南第八中队史－第37师团歩兵第226联队史》（作者三岛启介）中第132页才田升（冈崎支队长的最后时刻）上记载，日军原有500多人，最后仅剩下203名（其中关家垴上剩61名，柳树垴上剩142名），冈崎中佐以下300多名日军战死。
最主要的是彭总战前设定的要让鬼子再也不敢以一个大队为规模的队伍进行扫荡的目的没达成。此战过后，日军一个大队深入根据地曾占据根据地腹心的一个县城长达数年。
既然战斗已按原轨迹展开，马迁安也没有办法阻止，那么他只能做力所能及的事情了。据他的回忆，本场战斗有两个关键的节点可以扭转战斗结果，一个节点是30日早晨38团攻克柳树垴后，并未对柳树垴进行土木作业，致使垴顶隐蔽点少，这样的部署造成了一个预想不到的结果，上午9时左右，日军6架飞机赶来助战，轰炸了已被八路军占据的柳树垴，为减少伤亡，38团驻守部队疏散下山，垴顶成了空白之地，而预计接替阵地的25团还未准备好，此时关家垴上的冈崎观察到这种情况，趁机派了一个中队加一个机枪分队约200人的部队，乘各部八路军躲避轰炸，暂停进攻疏于防守的时刻猛然冲上柳树垴。此后就一直牢牢控制制高点，八路军3个营的兵力重新进攻柳树垴，反复冲击十几次未果。日军从而将关家垴南坡射界控制，致使八路军不能从南坡进攻，只能从另几个不利于进攻方向的方位进攻关家垴，大大增加了攻击难度，增加了伤亡。