此时，罗塘高地也遭到国民党守军第5军荣1师第2团的猛攻。日军第21联队经过几天的抵抗，已快弹尽粮绝，他们把打光了炮弹的迫击炮砸毁埋掉，削尖竹竿用作格斗的武器，以作最后的挣扎。饥饿难忍的士兵遍地寻找食物，高地及周围田地里凡能进口的东西都被搜索一空。面临绝境的三木联队长下令烧毁军旗。军旗是部队的生命，若军旗被对方缴获，则是一种最大的耻辱。做垂死挣扎的三木大佐向中村正雄报告，黄昏之前旅团若不能赶到，罗塘高地就难以确保。罗塘高地是昆仑关西南的天然屏障，倘若失守，日军在昆仑关就丢掉了一个重要支撑点。为此，中村正雄逼着部下朝九塘方向拼死冲击。冲在前面的第1联队长林义秀，被迎面一串机枪子弹击中腰部。中村正雄命令第42联队长长坂田原一统一指挥日军，再次对新编第22师的包围实行强行突破。
24日快到傍晚时，中村正雄率领日军两个联队残部推进到九塘地区，还未喘过一口气来，立即遭到荣1师郑庭芨指挥的第3团的阻击。第3团用密集的火力封锁了路面，迫击炮连、重机炮连向日军不间断地猛击。与此同时，第22师又从六塘追赶上来，前后夹击，九塘一带顿时硝烟弥漫，枪炮声震天动地。
中村正雄召集军官训话。郑庭笈团长从望远镜里发现了这群军官，便命令第1营向前运动，占领就近的高地，立即用迫击炮、重机炮向日军猛烈射击，顿时敌群湮灭在一片枪炮声中，死亡过半，中村正雄也被击中腹部。
中村正雄被抢救出后，军医当即将他抬进民房，21旅团医院给他动手术。8时20分，医生刚为他取出子弹，飞来一颗炮弹将草房炸得烈火熊熊，中村正雄和几个医生全部被烈火烧死。
中国军队在12月20日曾一度攻入昆仑关，后因日军顽固抵抗，又有空军的配合，昆仑关被夺了回去。
12月22日深夜，杜聿明军长同郑洞国副军长详细分析了近几天来的作战情况。他们认为，战斗之所以未能达到预期进展，除了日军训练有素、惯于山地作战，我军对此估计不足外，我军正面部队攻击面过宽，兵力没有集中使用，火力分散，不能在某点上给予日军致命打击也是一个原因。为此，杜聿明将军召集各师师长磋商，重新调整进攻策略，决定采用要塞攻击法，先拔掉昆仑关两侧各高地上日军的据点，使昆仑关失去四周日军火力的支援，然后再集中力量夺取昆仑关。
罗塘高地成了第5军首选的进攻重点。日军在高山上构筑了坚固的堡垒工事，并在阵地前沿设置了三道铁丝网。第21联队长三木吉之助率领200多名日军，配备10余挺轻重机枪、6门迫击炮，防守在罗塘高地。
第1师强攻一天未攻克。于是，郑洞国师长命令第2团汪团长挑选1营官兵组成突击队，黄昏前隐蔽进入攻击准确位置。等到敌机飞走后，郑师长立即下令全师所有轻、重炮火猛轰罗塘高地，打了近一个小时，日军工事被摧毁大半。郑师长先让少量步兵佯攻，将日军引诱到防守工事，紧接着我军又是一阵狂风暴雨般的轰击，炸得日军四处逃窜，死伤近半。在我军炮火延伸射击的同时，潜伏在山脚下的突击队一跃而起，高喊着涌上山头。冲在前面的官兵手持大刀，奋力劈开敌阵前沿的铁丝网，后继官兵一拥而上杀进日军阵地，与日军展开了激烈的肉搏战，最后将罗塘高地的日军全部击毙。
界首是位于昆仑关东北的险要高地，山势陡峭，易守难攻，与罗塘高地南侧成掎角之势，从这里可以俯瞰昆仑关。第5军若不拿下这个高地，进攻昆仑关非常困难，即便夺得昆仑关也难以坚守。
战斗初期，第200师沿公路两侧迂回包围了界首及周边的各个高地，激战数日，于29日终于攻克了界首附近日军各个据点，并顶住了日军的疯狂反扑。但是，第200师两个团伤亡也十分惨重，已无足够的兵力对主峰界首实行攻击。当天夜晚，杜聿明为加强界首方向的攻势，抽调荣1师郑庭芨团划归第200师戴安澜师长指挥，担任界首主峰攻击任务。
当日，郑庭芨团冒着敌机的扫射，强行向界首发起勇猛冲锋，但都被日军密集的火力击退。几次冲击下来，第3团9个步兵连中就有7个连长伤亡。郑团长见强攻难以奏效，便决定智取。当夜，他挑选了一支敢死队，利用夜色掩护，分成若干个战斗小组，悄悄地爬上山去，在日军阵地前沿潜伏下来。第二天拂晓，第5军集中重炮向界首高地猛轰一阵，直炸得日军阵地没有一处完整的工事。炮击一停，日军还未完全从掩体里爬出来，我军突击队已迅猛冲到日军阵前，用手榴弹摧毁继续顽抗的日军火力点，各突击组纷纷跃进日军工事。日军面对突然降临的中国军队顿时惊慌失措，垂死抵抗，端着三八步枪号叫着与我军拼杀。郑团长见我军已冲进日军阵地，立即挥兵增援，经过一场激烈的混战，又拿下了界首高地，歼灭了全部守敌，为最后攻占昆仑关扫除了最大的障碍。
界首天险被攻破，昆仑关失去最后一道重要屏障，日军成了“瓮中之鳖”。第5军占据了昆仑关四周各个高地，并将其重重包围。
杜聿明考虑到第200师伤亡过重，便命令第22师越过第200师阵地，担任正面主攻任务。荣誉第1师在右翼，叶肇66军第159师在左翼，各部协同作战，对昆仑关守敌作最后的攻击。
12月30日，新22师的邓军林团开始对昆仑关发起攻击。日军凭借坚固的岩石工事负隅抵抗。日军在阵地前设置了大量的滚筒式铁丝网，新22师官兵迅猛的冲击，往往被铁丝网迟滞下来，遭到日军密集火力的压制，无法向前推进。邓军林团连续十几次进攻，都被日军打退，而每次冲锋伤亡均过半。
12月31日上午，桂林行营主任白崇禧亲临战场视察。他观察了中方炮兵阵地后，命令炮兵指挥官邵百昌指挥法式山炮与俄式战防炮各一个连，将这两种重量较轻的炮体拆卸后，搬上日军左侧我军占领的高地，在此侧射。日军阵地完全暴露在炮兵眼皮底下，一阵密集的轰击，压制住日军的机枪、山炮，并将铁丝网摧毁。新22师邓军林团乘机发起凌厉攻势，一举攻上了昆仑关。
从昆仑关溃退下来的日军残部，在九塘与南宁援兵会合后，就地构筑工事，企图既守住南宁外围，又伺机反扑昆仑关。第5军决定乘胜追击，不予日军喘息的机会。
441高地被荣1师控制后，日军数次进行猖狂的反击。441高地为昆仑关西南的一个有力支撑点，日军攻占该高地，一则可以争取时间等待增援，二则以此高地为支撑点，攻可以扑昆仑关，守可掩护部队退却。就在昆仑关被我军收复之后，日军也未放弃占领441高地的企图。
1940年1月1日，日军得到援兵后重新调整部署，在飞机的掩护下，从东、西、南三面围攻中方主峰阵地。荣1师第1团3营官兵，顶着敌机的狂轰滥炸，英勇抗击近千名日军的持续进攻，最后终因伤亡太重，被迫退守到高地北侧死守待援。
郑洞国师长此时手上只有第2团300余名机动部队，他一咬牙派了上去。第2团余部在汪团长指挥下，与日军苦战通宵，敌我伤亡均极惨重，而日军援军仍在继续增加，我守军仅剩200余人死守高地北侧，战斗暂时成胶着状态。
第二天，第2团官兵仍然顶住了日军持续不断的进攻。第三天黄昏，日军狗急跳墙，见连日飞机轰炸、炮火猛轰、步兵攻击，都未能占领高地，便惨无人道地向中国军队施放毒气。随后，日军在空军的支持下再次发起攻击，中方守军愈战愈少，阵地危在旦夕。
郑洞国师长一面命令汪团长率部死守，一面把师部的特务连、传令兵、伙夫以及主动请战的轻伤员集合起来，组成了一支近200人的突击队，利用暮色掩护，跑步增援441高地。突击队悄悄绕至敌阵侧背，突然发起攻击。此时，日军已是强弩之末，在这突然的打击下顿时慌了阵脚，而高地上的中方守军也乘机反击，日军在我军夹击之下仓皇逃窜。中国军队终于将昆仑关周围最后一处高地牢固地占领，赢得了昆仑关战役的最后胜利。
昆仑关战役历时近20天，最后以中国军队全部收复昆仑关及周边各高地而胜利结束。这是自抗战以来中国军队取得攻坚战的首次胜利。据战后日本公布的材料，日军第5师团第21旅团长中村正雄少将，第42联队长长坂田原一，第21联队长三木吉之助、副联队长生田腾一，第1、第2、第3大队的队长均被击毙。整个旅团85%以上的军官伤亡，4000多名士兵被击毙，100多人被俘。日军“王牌”第21旅团基本上被全歼。中国军队缴获山炮10门、野战炮12门、反坦克炮10门、重机枪80挺、轻机枪102挺、步枪2000多支，以及大批子弹、手榴弹、炮弹等其他军用物资。在这次战役中，第5军也付出了沉重的代价，有1.1万人负伤，近5000人牺牲。
昆仑关战役也是中日两国精锐部队之间的一次殊死决战，这场“王牌”与“王牌”的较量，其激烈程度为抗战以来所罕见。这也是第5军自扩编后打的第一仗，首战告捷，不仅打出了中国人的志气，也打出了中国第一支机械化部队的威风。就连日军第5师团长今村均中将在战后给大本营的报告中也称，中国军队的英勇顽强值得日军敬佩。在第5军缴获的日军作战日记中有这样的记载：“数日以来，当面之敌对我猛烈攻击，其战斗力为对华作战以来从未遭遇者，因此伤亡极重，实足寒心。”
昆仑关战役的胜利，完全是靠抗日将士的血肉生命换取的，也是与当时民众的支持分不开的。中国军队的胜利，其根本也是民众的胜利。
第5军攻克昆仑关以后，日军第21旅团残部和盐田旅团的两个联队仍在九塘至八塘之间。此时，第5军继续向南宁方向进攻。败退九塘的日军，奉命放弃九塘，撤退到八塘固守。邱清泉师进驻九塘。
第5军随即开始进攻八塘，日军拼死抵抗，双方拼杀了8天，战斗呈胶着状态。此时，第5军由于连日苦战，伤亡过重，人员疲惫，战斗力减弱，因而奉命转移休整，由姚纯的第36军接替攻击。
1940年1月7日，蒋介石飞到桂林，三天后赶到迁江，与白崇禧和陈诚等人讨论下一步作战计划。白崇禧提议：乘日军新败，援军未到，以新到广西的李延年第2军、甘丽初第6军、姚纯第36军连同傅仲芳军，会同第5军等部队，全力发动攻势，一举收复南宁。蒋介石批准了这个计划。
第二天，白崇禧已经下令准备开战，而返回柳州的蒋介石出尔反尔，给他送来一封信，推翻了前一天会议上的决定。这样，白崇禧只好发布新的命令，改变作战部署，中国军队全部进入固守状态。
中国军队改变作战部署，使日军赢得了时间，从容地部署部队，反扑过来。1月7日起，日军调往桂南的久纳师团和近卫混成旅团共15000人从广州上船。10日，第21军制定了《宾阳会战指导方案》，决定于下旬在宾阳以南地区与中国军队决战。14日，又有日军近卫混成旅团第4联队3000多人在钦州登陆。日军部队实现了在南宁周边的集结。
而中国军队在昆仑关大捷中激起的斗志，经过半月固守的消磨，已经云消雾散。直到25日，白崇禧才在迁江指挥所召开军政联席会议，商讨对付日军反攻的对策。会议决定，徐庭瑶指挥李延年第2军、姚纯军和傅仲芳军为中路军，固守九塘和昆仑关一带；甘丽初军为右翼军，向三庄岭方向侧击日军；叶肇军为左翼军，在甘棠方向阻敌。这个部署，与十几天前被蒋介石否定的那个乘敌空虚迅速进攻的决策相比，变成了被动挨打的局面。
更要命的是，白崇禧没有料到，日军会采取包抄战术。23日，安藤利吉抵达南宁，第二天就下达反攻命令。日军今村师团、近卫混成旅团和盐田旅团的主力，在今村的指挥下，沿邕宾公路向昆仑关进攻；久纳师团全部和近卫混成旅团一部，由久纳诚一指挥，沿邕江南岸东进，在永淳渡江北上，迂回包抄昆仑关后路。
今村指挥的正面进攻，遭到中国军队顽强抵抗，但白崇禧发现：日军真正的主力在甘棠方向！它严重威胁着昆仑关一带的中国军队。
白崇禧急令刚从广东调来的邓龙光第64军火速进军甘棠，樊崧甫率主力第175师从江口北渡郁江，协同阻击进攻的日军；另派甘丽初军第49师南下武陵圩，阻止日军北上宾阳。不过，这些措施都太迟了！日军于2月1日开始发动总攻。
蒋介石偏偏在紧要关头又犯了一个更大的错误。恰恰在日军开始总攻的这一天，他命令张发奎接替白崇禧指挥桂南战役。临战易帅，是古今中外的兵家大忌。张发奎上任伊始，就命令叶肇军固守原阵地，并且侧击日军。他还命令所有增援部队向甘棠集结，预定2月2日在甘棠向日军发动攻击。这个命令传达到各部，比日军的打击晚了许多。
叶肇的部队遭到攻击，只做稍微抵抗，就向黎塘和陶圩撤退，根本不理会防线背后没有设置预备队。这一撤，导致中国军队的阵线彻底崩溃。日军不费吹灰之力，长驱直入宾阳。
此时，在九塘和昆仑关防御的傅仲芳军、姚纯军、李延年军和甘丽初军，失去了集团军的指挥，各自为战；宾阳失守，后路被断，致使军心溃散，部队沿山间小路各奔东西。3日，今村的部队顺利夺取了九塘和昆仑关。李延年军副军长郑作民中将在撤往上林时中炮身亡。4日，日军占领上林，6日占武鸣，7日占黎塘。8日，日军各部停止追击返回南宁。第5军将士浴血奋战半个多月才攻占的地盘，几天内就被日军夺去。直到1941年10月，中国军队才将日军完全赶出了南宁以及整个桂南。