同年9月1日，德国进攻波兰。9月3日，英、法对德宣战，第二次世界大战爆发。日本更急于解决中国问题，以便腾出兵力抢占西方列强在亚洲和太平洋的殖民地，以配合德、意两个盟国，并缓解德国对其解除了对苏联威胁的不满。认为：“中国事变的解决之所以如此拖延，是由于苏联和英、法、美对蒋介石政权的支援”，“藉欧战发生各列强无力顾及中国的时机”，“解决中国事变”9月4日，日本内阁首相、陆军大将阿部信行发表声明：“值此欧洲战争爆发之际，帝国不予介入，决定专向解决中国事变迈进。”

日军大本营发出“准备迅速处理中国事变”的命令；又发出《大陆命令第375号》：“中国派遣军总司令官应以一部协同海军迅速切断沿南宁至龙州之敌补给路线。”同日，还发出“大陆指第582号”陆、海军中央协定：“本作战之目的，在于直接切断沿南宁――龙州敌补给联络路线，并强化切断沿滇越铁路及滇缅公路敌补给联络路线之海军航空作战。”并规定作战时间为11月中旬。（同上书，第499页。）19日，西尾寿造下达作战命令，开始广西作战，命令参加作战的部队为：第五师团、台湾混成旅团、其他配合部队、第五舰队（11月中旬改称第二派遣支舰队）、海军第三联合航空队。其兵力总共约三万人；军舰70余艘；航母2艘、飞机约100架。

日军广西作战的主力第五师团为日本陆军第一流精锐机械化部队，号称“钢军”。参加过南口、忻口、平型关、太原、上海、台儿庄、广州等战役，屡次担任主攻任务。坂垣征四郎原为该师团长，他升任中国派遣军总参谋长后，师团长由今村均中将接任。可见日本方面何等重视这次战役。日本认定，切断这条路线将必然使中国丧失抵抗能力，从而可以立即结束在华战争，完成它对中国的侵略任务。大本营陆军部作战部长富永恭次更宣布：“这是中国事变的最后一战。”

1939年11月9日，日本全部进攻部队在三亚港集结完毕。第21军司令官安藤利吉中将亲自到三亚指挥。13日，舰队从三亚启航。14日先头舰只抵达北海，以10余舰发动佯攻。驻守北海的175师一个营，给予日军以回击。军事当局命令防卫部队彻底炸毁北海市，只是因为指挥北海保卫战的桂系第16集团军第46军175师第524团团长巢威感到日本军并非要在北海登陆，从而避免了北海的彻底破坏。当晚，日舰停止对北海的进攻，转向钦州方向,钦州方向防守的是桂系第16集团军第46军新编第19师，新编19师大部分是由民团转成的新兵，战斗力不强。防城企沙、龙门两地各一个营抵抗一天后败阵，日军登陆。在钦县犁头嘴防守连连长报告第16集团军第46军新编第19师55团黄廷才团长，竟然认为这是敌惯常骚扰而已，不必认真。结果毫无战斗准备的新编第19师所属部队溃败，日军顺利登陆。

战至1939年11月17日，日军占领钦州、防城，并立即分兵北上。18日，日军进攻第46军新19师师部所在地小董，师长黄固临阵退缩，竟只身逃跑。（后来该师师长黄固被撤职，黄廷才交军法审判。）所辖军队溃散，日军继续北上。而十万大山区土匪组成许多便衣队为日军先导，致使日军加快北进速度，22日傍晚抵达南宁市邕江南岸。

日军登陆后，1939年11月16日，蒋介石在重庆召见白崇禧，令其不必再参加国民党五届六中全会，立即返桂林指挥作战。白要求以桂林行营主任资格全权指挥，不须第四战区司令张发奎插手，各军须直接听从行营命令。蒋批准该项要求，并调其最精锐的第五军等中央军部队归白指挥。白立即电令第五军代军长杜聿明，立刻率部乘火车从衡阳赴桂南；又电令恢复桂系将领夏威第16集团军司令职务，原已任命的蔡廷锴待命。16集团军立即集结，副总司令韦云淞及指挥所人员19日抵达南宁，各部分别赶赴日军进军必经之地阻敌北进。

白崇禧本人于1939年11月19日由重庆飞桂林，21日率部抵达迁江，设立行营指挥所。

1939年11月23日，日军第5师团在飞机掩护下开始强渡邕江。夜晚，135师405团团长伍宗骏擅自令其所辖404、405两团放弃阵地撤退，韦云淞命令135师师长苏祖馨截回所部，伍宗骏抗命不肯恢复原来的阵地（伍后来被判刑五年），南宁市内正面已无军队防守。（1940年2月21日，战后柳州检讨会上，第135师405团团长伍宗骏被扣留交军事法庭会审，第135师师长苏祖馨撤职留任。）

1939年11月24日凌晨，日军今村均中将下达夺取南宁命令如下：第4飞行团（本乡义夫少将）之飞行第64战队（战斗机），飞行第31战队（轻型轰炸机），独立机枪第16，第21大队，独立装甲车第52大队，山炮兵第111联队，独立山炮兵第10联队，独立攻城重炮兵第11大队协同步兵第5师团进攻邕宁城防，夺取南宁全歼中国守军。步兵21旅团之步兵第21联队强渡邕江攻击南宁市区，夺取南宁后转向攻击二塘，步兵第42联队则直接攻击二塘之守军。24日拂晓，170师在邕宁与日军激战，上午日军第5师团步兵21旅团之步兵21联队从市区渡江，下午南宁全城陷落。

25日晨，200师第600团在二塘独战日军第21、42两个联队。日军在飞机掩护下，对170师和200师两个团阵地猛攻，国军顽强抵抗。600团团长邵一之、团副吴其升阵亡。鉴于战况不利，170师师长黎行恕与200师师长戴安澜决定黄昏后撤退至高峰隘。虽然未能阻止日军前进，但这是日军自钦、防登陆后遇到的最激烈抵抗，战斗进行了两天两夜。

1939年11月26日，日本第21军司令官安藤利吉认为大局已定，无需再亲自指挥了，宣布所有日军组成邕钦兵团，由第5师团长官今村均指挥。安藤本人则于27日离开钦州回广州。日军于26日起，在飞机掩护下猛攻高峰隘，国军尽管顽强抵抗，终于不支，于12月1日失守高峰隘。12月4日，日军占领昆仑关。接着暂停进攻，调整部署，双方以昆仑关一线山地为界，暂时对峙。

日军刚占领南宁时，白崇禧即要求立即趁日军立足未稳，兵力尚薄弱马上发动反攻。杜聿明发出要求电报：“重庆委员长蒋，军令部长徐。重庆军政部军务司王司长转呈部长何钧鉴：密。目前侵占南宁之敌，其兵力尚不及两师，此次乘我兵力分散虽侥幸成功，但以交通阻塞，除少数山炮外，其他重兵器及机械化部队均无使用，而补给尤为困难，现我军所处情况则实为相反，故此时我军正宜乘敌孤军深入后援未济之时，集结优势兵力，配合地方民众，迅速（12月10日前）反攻，以击破该敌而恢复国际之重要交通，用敢不揣冒昧，谨申关于攻击前部署意见如下：（略）以上所陈是否有当，伏维鉴核示遵。 迁江第5军代军长杜聿明东午参一。”日本方面轻敌，在接获汉奸密报，谓南宁昆仑关以北已有十余万国军集结之后，今村均认为是“不可能的事”，未予理睬。而更高层则仍希望继续开展“谋略工作”，企图策动桂系反蒋，分裂的中国无疑是有利于日本侵略的。

1939年12月8日，蒋介石决定反攻，白崇禧将此决定转达各部，目标是“攻略昆仑关而后收复南宁”，各部亦开始反攻准备。1939年12月中旬，中国军队集结基本完成。蒋介石又派陈诚、李济深监督白崇禧作战，第四战区司令张发奎也由韶关抵达迁江。1939年12月15日，白崇禧以桂林行营名义发出第一号反攻令。

中央军第5军军长杜聿明召开第5军团长以上军事会议，布置对昆仑关之攻坚战。他制定的是“关门打虎”的包围全歼战术，以第200师（师长戴安澜）、荣誉第一师（师长郑洞国）正面主攻昆仑关；新编第22师（师长邱清泉）为右翼迂回部队，由小路绕过昆仑关，攻占五塘、六塘，打击南宁方面日本援兵；第200师副师长彭璧生率两个补充团担任左翼迂回支队，绕甘棠、长安攻击七塘、八塘，侧击昆仑关之外，堵住昆仑关守敌退路并阻击日军北上的援军。

杜聿明将军的机械化重炮兵旅，已经开到了昆仑关附近丘陵地带的密林中，在距日军前沿阵地仅三四华里的地方，迅速构筑起阵地，一排排炮口已经对准了日军的阵地。号称“德国将军”的邱清泉第22师战车部队，也已从昆仑关以北的思陇越过重重大山，经太平村向昆仑关南面的五塘地区穿插。今村均于1939年12月15日，中方军队发出第一号反攻令的同日，他命令第九旅团长及川源七少将率领数千日军，南向去奔袭中越边境的龙州、镇南关（友谊关），这支部队于17日出发，而中国军队总攻击时间定于18日拂晓。昆仑关关内守敌为第5师团主力第21旅团的松本总三郎大队，以第21旅团第42联队及第21联队在九塘至南宁一线作为后卫呼应。

1939年12月18日，西路军桂系第16集团军第31军170师在昆仑关西侧发起高峰隘战斗，东路军桂系第46军175师进入昆仑关侧后破袭邕钦公路。18日凌晨，昆仑关内战斗打响。先是炮战，中国第5军的重炮兵团以及各师炮营同时开火，日本方面除炮兵外，还有上百架飞机的轰炸。炮战打响后，中国第5军的重炮兵团以及各师炮营同时开火。炮火延伸后，第200师与荣誉第一师开始攻坚，成千的士兵端着刺刀，在战车的引导和掩护下冲上了日军的阵地，在反应过来的日军炮火拦截时，双方已绞杀在了一起，逐尺逐寸的争夺着每一处阵地，日军步兵第5师团长今村均中将在南宁城内直到中午才收到昆仑关及附近地区被中国军队攻击的消息。

战至夜晚，荣誉1师攻占了昆仑关附近的仙女山、老毛岭、万福村、罗塘和411高地；第200师攻占了653、600两个高地，另外西路友军170师发起攻击高峰隘的战斗，占领高峰隘附近山头，阻击了日军援军。于是中国军队决定加大攻击的力度，迅速扩大战果，杜聿明命令荣一师连夜从侧翼向昆仑关主阵地发动攻击，吸引日军注意力。第200师主力隐蔽接近，乘乱突袭，但也同时电令外围部队严密监视南宁方向敌人动静，以防日军奸计夜袭。但荣誉第1师攻击的方向不太顺利，居高临下的日军用密集的弹雨压制了荣1师一次次的进攻。军属各炮兵部队拼命将各种炮弹打到关上阵地里。巨大的尘土柱拔地而起，整个阵地几乎就象犁田一样被各种型号的炮弹翻了一遍，然后是进攻，压制，炮击，周而复始。但战斗进展仍然非常缓慢。日军主阵地修筑的非常坚固巧妙，加上日军知道不妙，背水一战，异常顽强，并且开始发动一次次的疯狂反冲击，很多阵地失而复得，得而复失。

1939年12月19日晨7时许，第200师击溃日军第3次疯狂的反冲锋后，乘势追杀，撕开了日军主阵地防线，乱军里还突入并消灭了日军一个中队指挥所，荣一师第600团遂对各自为战的日军分割包围，并一举攻占昆仑关主阵地，将残余日军压退到关南的几处小高地上。

激战一天一夜后荣1师第600团终于在太阳升起的时候停止了攻击，向友军移交阵地后依令撤出主阵地休整。杜聿明闻报经一夜激战终于光复昆仑关主阵地，马上督令各部做好最后攻击准备。决心在以后的两日内收拢包围圈，彻底消灭面前的这个日军精锐大队。然后就可以腾出手来协同友军直扑南宁，圆满完成白长官的桂南反攻作战计划。

1939年12月19日中午，日军出动飞机狂轰滥炸，今村均派出第21旅团第21联队，由联队长三木吉之助大佐率领抵达昆仑关阵地，并夺回昆仑关主阵地。其他阵地也在得而复失、失而复得的激烈争夺中。12月19日午后，邱清泉率新22师右翼迂回部队占领昆仑关敌后之五塘与六塘。日军步兵21联队由联队长三木吉之助大佐率领救援昆仑关，突击非常迅猛，在炮兵的支援下，几次冲锋后竟然突破新22师在五塘的阻击阵地，直奔九塘而来。实际上邱清泉是擅自作主将日军放进来，九塘埋伏有邱清泉的新22师战车部队，新22师的战车部队就埋伏在道路旁的树林里。步兵第21联队下午八时许到达九塘，立即被埋伏在公路两侧的邱清泉坦克部队切断了后路。坦克炮火将六塘至七塘的桥梁全部轰塌。整个联队被优势的中国军队分割包围，陷入了完全孤立被歼的境地。

邱清泉指挥战车部队向被围之日军发动猛烈攻击。中国战车部队在日军还没反应过来时在中央公路上向日军车队冲撞扫射。日军顿时溃不成军，退向两旁山地躲避。公路上丢下累累敌尸和各式车辆二百多部，各种轻、重武器更是无数。这时突然昆仑关上的日军发动反击，前来接应步兵21联队，逃出战车打击的日军步兵21联队在昆仑关上日军接应下合兵一处，这才渐渐回过神来。

逃上昆仑关的三木气急败坏，要来飞机支援，在包围圈里疯狂反扑，虽然在九塘，步兵21联队的车辆与火炮都丢了，然而步兵损失不是很大，兵力还是比较完整，于是一波一波的日军竟然不顾主阵地正在被己方飞机狂轰乱炸，疯狂反扑，竟然又击退了昆仑关主阵地上的国军一个守备团，重夺昆仑关后据守待援。其后五塘也被日军重兵夺回，再随后日军猛攻六塘，日军为了对付国军坦克，动用了很多速射炮，并出动大批敢死队，身抱炸药爆破国军坦克，在飞机的支援下，发动了疯狂突击。虽然国军新22师遭到了较大损失，但六塘则始终被邱清泉坚守住，这在打击日军增援上作用极大，有效地保证了昆仑关战斗。在台湾旅团林义雄大佐第一联队由南宁增援昆仑关时，就被邱清泉亲率主力堵在六塘激战。邱清泉死守六塘成功，给以后的昆仑关战斗奠定了胜利的基础。

杜聿明不失时机命令荣1师郑洞国派该师郑庭笈第三团暂归第200师戴安澜指挥，从右翼包围九塘。郑团利用黑夜会合600团的先锋营攻占九塘西侧高地，紧紧地收拢了包围圈。

由于日军有援军的加入，使得关上兵力大增。北向前来增援的日军台湾混成旅团渡边信吉大佐第2联队，也遭到前来昆仑关侧后破袭邕钦公路的桂系第46军175师层层阻截。日军台湾混成旅团渡边联队在陆屋遭遇中国军队175师第524团（团长巢威）阻击，激战三日不能通过，第524团指挥果断，士气高昂，主动出击，尽管日军有飞机助战，且施放毒气，仍将渡边联队堵住，而联队长渡边大佐亲临战地指挥突击时被击毙，渡边大佐阵亡后台湾步兵第2联队失去指挥，只得撤回钦县。西路军桂系第16集团军第31军170师于19日占领高峰隘附近隘口东西两侧山头，但日军除守隘口之一个加强中队占领隘口外，又从南宁派联队长纳见率一个大队（欠一个中队）于12月19日夜潜过隘口到北侧两公里处埋伏。

1939年12月20日，昆仑关内日军渐渐不支，频频告急。同日，中国东，西两路部队也分别在南宁附近发动反攻。今村急令正在向龙州和镇南关攻击的步兵第9旅团分出第三大队的伊藤部队乘坐105辆汽车返回驰援昆仑关。同时命令第21旅团长中村正雄少将亲自率旅团主力步兵第42联队增援昆仑关。然而邱清泉的新22师在五塘附近坚决地堵截了中村的步兵第42联队，日军步兵21旅团的炮兵与骑兵部队配合步兵第42联队，发动了疯狂突击，战斗中新22师的坦克部队遭受了很大损失。然而，整整激战两天，步兵第42联队就是一直不能前进。20日拂晓，高峰隘两侧的170师守军遭隘口北侧埋伏的日军突然偷袭，高峰隘已攻占的两处阵地失守，中国军队败退至葛圩一带。白崇禧亲自作阵地视察，亦无改观，始终无法攻占高峰隘，致使西路军在南宁南部的苏圩集结，阻止敌后增援的初衷无法实现。

1939年12月21日，蒋介石对昆仑关战役及整个桂南战役进展缓慢极其不满，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。”国军各部队习惯于保存实力、互相推诿使日军获益。例如冯璜于11月22日接任175师师长时白崇禧对其交代：“现在大敌当前，第16集团军各部队长官间还闹意见，你见他们时，传达我的意思，请他们好好的以大局为重，放弃成见，共同抗日。”而16集团军司令夏威则交代冯璜：“抗战是相当长期的，不可把‘本钱’一下赌光。”

1939年12月22日拂晓，邱清泉部主动撤出战斗，中村正雄率第42联队方抵达七塘，但又被阻截。下午1时半，三木大佐告急：“黄昏前旅团如不能到来，第一线难以确保。”而紧急回援的邕龙路上的伊藤部则在西长圩被西路军桂系第31军131师截击。今村均不得不派南宁仅有的两个中队和两个机枪小队前往援救，又在苏圩附近遭西路军桂系第31军188师阻击。

1939年12月23日上午，日军第42联队联队长中村正雄受伤。至1939年12月23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。战斗空前惨烈，戴安澜将军亲率200师两个团兵力，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。但界首高地是日军最坚固的据点，上两层下一层碉堡，构成交叉火力，中国军队攻击受阻，六天战斗未获理想战果，而敌军援兵已从各地开来，形势不容乐观。杜聿明分析两得两失的教训，是日军在关口两侧有坚固的堡垒工事，组成交叉火力网，致使中国军队攻击失败。于是决定改变战法，集中优势兵力，从外围攻击各据点，逐渐缩小包围圈。

1939年12月24日，中村旅团主力从七塘拼死朝昆仑关突进。早晨八时，头裹绷带的中村少将抵达九塘以西督战。防守九塘的就是担任右翼迂回阻截任务的荣一师郑庭笈第三团，以及第200师600团第1营的部队。居高临下的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1营以轻重机枪，迫击炮集中火力猛击。第600团第1营急促出击，打乱日军的中枢指挥系统。我军一群迫击炮炮弹落入会场，当场把中村旅团长炸成了重伤，日军在混乱中醒悟过来以后发动反扑，不过第200师600团第1营及时撤离了。

中村正雄被迫击炮炸成重伤以后，日军步兵21旅团主力陷入混乱，当天在九塘没能发动进一步的突击，中村正雄的伤势非常严重，当天下午中村发生了严重感染并很快衰竭死亡。中村正雄阵亡后日军在九塘的攻势基本陷入停顿。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：“日军第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，我遇到了一支比俄国军队更顽强的军队。”

12月24日，在西长圩被桂系31军阻截包围整三天的伊藤大队及其援军在飞机掩护下，均得以向南宁方向突围。而向南袭占中越边境镇南关的及川支队接到今村均返回南宁的命令，便销毁缴获的大批战略物资，撤离龙州、镇南关。白崇禧得知第一批回窜之敌逃脱，第二批又在返回后，唯恐及川支队增援昆仑关导致我军进攻失败，急电西路军总指挥桂系韦云菘：“如再放过第二批回窜的敌军，影响主力兵团方面的战局，该副总司令应受严惩。”结果仍被日军主力逃脱。

1939年12月25日，荣一师第二团在团长汪波率领下，步炮协作，攻下罗塘南高地，全歼守敌二百余人。这是很重要的突破，杜聿明传令嘉奖。接着各师，团军心振奋，依次攻克昆仑关周边诸高地。更多的火炮直接进入了最有效的攻击位置，有利地协助着步兵每一次攻击。国军改变攻击战术后，面对这种步步为营，层层推进的战阵，关上的日军就束手无策了，阵地一旦失守，日军就很难再反扑成功了。但就在当天，台湾旅团的援军也抵达了南宁八塘附近，至于步兵21旅团的步兵42联队则在24日就已进入了九塘地区，12月25日，今村均任命步兵42联队联队长坂田元一大佐代理步兵21旅团长，并空投了几十名军官到九塘地区补充基层指挥机构，九塘地区日军的攻击作战又活跃了起来，并于当天攻下了九塘，抵达了昆仑关地域，只是还被挡在关下。

1939年12月26日，在八塘国军奋力阻击台湾旅团的援军时，国军第5军对昆仑关发动了总攻击，戴安澜将军率第200师担任正面主攻，他亲赴一线战壕指挥将士冲锋陷阵。并将自己全部的警卫力量一起投入了攻击，第200师两日内连克同兴堡，罗塘堡，653高地，但在夺取653高地时戴安澜将军被日军炮弹炸伤，戴安澜将军中弹后依然不下火线，带伤指挥战斗，整个200师的将士大受感动，奋力猛攻，一直打到界首高地附近才被日军阻击住，当第200师在界首高地被阻时，戴安澜将军则因伤势严重被部下强行送进了野战医院包扎。界首高地位于昆仑关北，是日军最坚固的据点，也是昆仑关最高的制高点。依山而筑各种明暗工事与火力点，反攻部队的后方炮火很难给予有效打击，第200师先后4次发动强攻都被日军打了下来，针对这种情况，国军决定在28日夜晚强攻界首高地，并调集了荣誉第一师的郑庭笈团协助第200师强攻，荣誉第一师全体士兵都是久经沙场，战斗经验丰富，并曾在对日作战中负过伤的老兵，步兵战斗力第5军最强，郑庭笈的第3团更是以作战勇猛著称，被称做敢死团，团长郑庭笈也是个敢赤膊上阵舞大刀的拼命三郎，在界首高地攻击战中发挥了至关重要的作用。

1939年12月28日夜晚，第200师与荣誉第一师郑庭笈团对界首高地发动了总攻击。荣誉第一师第3团冲在最前面充当敢死队，在炮火掩护下，士兵们手里拿着大刀，身上绑着手榴弹扑向了高地，他们凭借着火力支援，在互相掩护中迅速靠近目标，爆破日军掩体工事，对一些不好爆破的目标，一些士兵采取了肉弹攻势，拉燃手榴弹直接冲进了日军的山洞里、坑道里深处与日军同归于尽，在敢死爆破攻势下，日军的界首防御被打开了，但荣誉第一师第3团的第一批爆破队员也在日军的拼死抗击下，很快就拼完了，郑庭笈咬牙连续下达了第2，第3梯队爆破手跟进攻击的命令。同时命令全团所有轻重火力集中射击，掩护爆破小组前进。在荣誉第一师第3团的敢死爆破攻势下，日军界首高地大多数火力点被歼灭，第200师乘势发动了最猛烈的攻击，日军也派出了反击部队进行坚决反击，反复发动反冲击，在界首高地多次爆发激烈肉搏战，日军也派出了身上绑满炸药的敢死队，舞着刀朝国军攻击部队猛冲过来，战况最激烈时郑庭笈都拿着指挥刀去肉搏了。然尔，日军依然无法阻止国军的猛攻，战至天亮国军冲上了界首高地，以后又打退了残余日军的几次反扑。

1939年12月29日白天，第5军完全肃清了界首高地的日军。界首大战是昆仑关战役中最惨烈的战斗之一，荣誉第1师第3团在这次战斗中九个步兵连，七个连长伤亡，郑庭笈团长身边的司号长李均也阵亡了，团长郑庭笈本人也负了3处轻伤。界首被攻克后，日军昆仑关主阵地已在国军俯视之下，虽然九塘日军步兵42联队主力此时也正好突破阻击进入了昆仑关主阵地与步兵21联队残余部队汇合在了一起，然而已经晚了，攻克界首高地以后，日军步兵21旅团被国军完全包围在昆仑关。

在五塘、八塘中国军队的阻援部队虽然伤亡严重但依然坚守住了阵地，台湾旅团的援军一时无法抵达昆仑关，国军最高统帅部下达命令，乘此良机拿下昆仑关全歼日军步兵21旅团。12月29日攻克界首当天，第5军命令新22师对昆仑关主阵地发动总攻，由于界首被国军获得，国军居高俯视，机枪迫击炮打的得心应手，这样就大大减轻了攻击昆仑关主阵地的难度，但昆仑关地形特殊，昆仑关所在的昆仑山被称为“昆仑台地”，虽然海拔仅有300多米，但由于这里地势险要、河川纵横、道路狭窄，不适宜大规模作战，所以虽然取得了界首，国军攻打昆仑关也并不容易。坂田元一率领步兵42联队主力进入昆仑关时，界首正好失守，坂田元一在昆仑关主阵地与三木汇合后，清点了日军的兵力与物资，发觉日军已经山穷水尽了，无论21联队还是42联队兵员都已不多，在昆仑关主阵地，日军步兵21旅团经过激战只剩下3000多士兵了，而且已经面临弹尽粮绝的局面。

坂田元一下令：破损无弹军器一律拆散就地掩埋。军械不足就削制竹刀竹枪，为帝国战至最后一刻。12月29日中午，国军发动了总攻，日军拼死抵抗，没有枪械的日军拿着竹枪或刺刀组成肉搏队，埋伏在山上草丛里，等国军士兵靠近后突然跳出，近距离发动肉搏战，还有子弹的日军则组成狙击小组专放冷枪狙击国军，还有一些日军倒地装死拿着手榴弹或刺刀等着国军上来突然就蹦出来拼命，整个昆仑关没了大规模的枪战炮战，到处都是三五成群的日军发动的零星肉搏战或自杀爆炸战，日军困兽犹斗之顽强令人惊奇，由于日军刺杀技术比国军强，在这些零零星星却又连绵不断的肉搏战中，国军付出了很大的代价，但中国军队并未被日军这种抵抗吓倒，前仆后继猛烈攻击，枪械施展不开就用棍棒大刀与日军拼命。

1939年12月30日，新编第22师邓军林团胜利攻克昆仑关，但不久又被日军夺回。紧接着，又被荣1师攻占昆仑关北侧，但日军仍顽强守卫这高地的南侧。

1939年12月31日，日军步兵21旅团代理旅团长坂田元一大佐自杀，步兵21旅团的旅团旗（不是军旗）烧毁。步兵第21联队长三木吉之助大佐，率领几十名日军拿着军刀竹枪埋伏在草丛里与一股搜山的国军展开肉搏战，最后全部被刺死打死。

1940年1月1日，日军飞机对昆仑关界首高地北侧狂轰滥炸，步兵大举进攻。荣一师守卫高地的一个团加一个营，战至仅剩百余人，但仍坚守阵地。1940年1月1日中午，及川支队数千主力抵达八塘，今村均命令及川少将接替被击毙的坂田元一担任前线总指挥。第5军第三次攻克昆仑关北侧，并歼灭了第21旅团的两个主力联队之后，就计划向南进军，一举收复南宁。但事情并没有这么简单，第21旅团的剩余部队、台湾混成旅团的第一、第二联队仍在九塘至八塘间。第5军向南宁方向继续进攻的第一仗便在昆仑关至九塘间的441高地打响。

1940年1月2日拂晓，荣一师举全部残余兵力反攻昆仑关界首高地南侧，激战一整天，毫无进展，双方仍旧维持原有阵地。

1940年1月3日，杜聿明调集200师主力及新22师一部协同荣一师继续战斗，战况更为惨烈，双方死伤都极为惨重。入夜，日军抵挡不住败退九塘，昆仑关中期战役结束。包围圈内日军步兵21旅团基本全部被歼灭，除在被包围圈外与先前在增援昆仑关战斗中负伤后送的以外，只有少数日军化整为零跑出包围圈，被包围圈外的台湾旅团及九塘留守部队收容。

1940年1月4日，荣一师因伤亡惨重，奉命撤出战斗移师思陇休整。第5军继续进攻。而败退九塘之日军也奉及川源七命令，于4日拂晓放弃九塘撤退至八塘固守。国军新编第22师进驻九塘。第5军继续进攻八塘，日军拼死抵抗，

1940年1月7日，鉴于今村均急于亲自上阵并以第5师团全力为第21旅团报仇，并打算与中国军队开始决战，21军军长安藤利吉命令其固守南宁待援：“波集团（第21军）企图将有力兵团调至南宁，歼灭聚集于南宁方面的敌军。第5师团仍应确保南宁及附近要地，以利转用兵团之挺进。”7日起，调往桂南的第18师团（师团长久纳诚一中将）、近卫混成旅团（旅团长樱田武少将）共1.5万人从广州上船。日本军部被中国军队的攻势震撼，曾派大本营参谋次长泽田茂从东京赶到广州；并派南支那方面军副参谋长佐滕贤了、作战主任藤原五，陪同日军参谋本部作战主任荒尾兴功、中国派遣军副参谋长铃木宗作等到达南宁，但未能改变第21旅团的失败命运。

1940年1月10日，蒋介石亲临迁江，与白崇禧、陈诚、张发奎、徐庭瑶、林蔚等讨论下步作战计划。白提议：乘敌新败，援军未到，集结到广西的中央军李延年第2军、甘丽初第6军、姚纯第36军、傅仲芳第99军会同第5军等部队，发动攻势，一举收复南宁。10日，日本第21军制定《宾阳会战指导方案》，定于1月下旬在以宾阳以南地区决战。战至11日未果，双方在九塘至八塘之间形成对峙状态。至此，昆仑关攻坚战结束。

1940年1月12日，第5军进攻八塘仍毫无进展，而第5军在经过苦战之后，伤亡甚重，人员疲惫，已经不适合战斗，于是奉命转移至思陇、黄圩、太守等地休整。攻击任务移交姚纯的第36军接替。这样，国军第5军正式退出战斗序列。1940年2月26日，第四战区司令长官张发奎宣布：“当前已无反攻南宁的必要。”整个桂南战役到此结束。

此役日军第12旅团班长及军官死亡达85%以上，士兵死亡4000余人，战机被击落20余架。旅团长中村正雄在昆仑关南5公里的九塘被郑洞国师第3团击毙，以至于战争后期日军不得不空投军官来指挥作战。而中国军队也付出了惨重代价，共牺牲14000余人。

2005年，南宁市委、市政府为加强对昆仑关战役遗址的保护开发，成立了南宁市昆仑关战役遗址保护管理委员会（南宁昆仑关旅游风景区管理委员会），拉开昆仑关景区保护开发的序幕。2005年8月中旬至年底，管委会组织了对昆仑关遗址中国军队阵亡将士墓园等文物系列进行保护性修缮。2006年底，南宁市政府组织制定并通过了昆仑关景区总体规划。总体规划面积15平方公里，核心区景区建设用地78公顷。同时，还批准建设昆仑关战役博物馆，建设纪念缅怀区、古关楼、碑林、休闲娱乐区等十几个项目。

昆仑关战役旧址是国家重点文物保护单位、全国国防教育示范基地、广西壮族自治区爱国主义教育基地、国家3A级旅游景区。2009年又被评为南宁市最具历史纪念意义景区奖。