这时候，杜聿明提出集中全部兵力，一举歼灭这个旅团。白崇禧批准了他的计划。杜聿明调回第五军全部兵力，猛攻昆仑关，还把叶肇集团军的第六十六军和总预备队傅仲芳军的两个师，全部用于打击八塘以南的日军援兵。
  中国军队全歼日军一精锐旅团(4)
  28日，经过重新部署的第五军加紧攻关，两天后，将昆仑关周围的日军据点和侧防机关基本肃清，关里的日本“铁军”主力第二十一旅团已成瓮中之鳖！
  陈明仁的陆军预备第二师，也被调来增援昆仑关。陈明仁接到命令，立刻命令三个步兵团强行军到衡阳，转乘火车到柳州，然后日夜兼程，赶到昆仑关。
  陈明仁组织敢死队向昆仑关日军占据的三二四高地进攻。第五团敢死队担任正面攻击，第四团敢死队担任左翼攻击，第六团敢死队担任右翼攻击。陈明仁发明了一套独特的战术：“盯黑不打白”，进攻都在夜间进行，白天只派少数官兵潜行侦察敌情，一到夜幕降临，马上出动攻击。
  陈明仁的部队一连三晚不断猛攻日军碉堡，摧毁敌堡多处，迫使大部分日军退到第二线。
  日军不甘失守，增援反扑，陈明仁师坚守阵地，寸土不让。日军冲上来，守军就出阵肉搏，双方亮出明晃晃的刺刀和战刀，兵对兵、将对将地厮杀在一起。刀枪交错，杀声震天，血流遍地，战斗异常惨烈。陈明仁的部队打败了日军一次又一次的进攻，终于全部拿下了三二四高地。
  陈明仁继续指挥第四团向九塘进攻，第五团则从三二四高地尾追日军，向前推进，乘胜占领了百登岭高地。
  昆仑关北面的界首高地，是日军最坚固的据点。这里的攻坚战打得分外激烈。郑洞国师的郑庭笈团，被杜聿明调拨给戴安澜师指挥。郑庭笈团在28日晚发起攻击。他们顶着日军飞机的扫射轰炸，不顾牺牲，顽强进攻。郑庭笈派出爆破手，将手榴弹塞进日军据点的枪眼。九个步兵连中，七个连长在日军火力下伤亡！郑庭笈始终在火线指挥，他身边的司号长李均中弹牺牲。郑庭笈团终于在29日上午攻克界首高地。第二天，邱清泉师的邓军林团攻克昆仑关。
  这是一场漂亮的攻坚战和歼灭战。第五军全歼日军第二十一旅团，先后击毙旅团长中村正雄和代旅团长坂田元一，以及两名联队长、一名副联队长和三名大队长。日军班长以上军官死亡超过百分之八十五，士兵死亡四千人以上。第二十一旅团名存实亡。中国军队伤亡一万人以上，但基本干部损失不大。
  桂南会战整体上是中国军队失利，昆仑关战役却是一个大捷。中国军队靠一个山头一个山头地争夺，赢得了战役的胜利。中国军队全歼日军精锐旅团，消灭它的全部指挥官，尚无第二例。日军的战史说：“通观中国事变以来全部时期，这是陆军最为暗淡的年代。”
  不过，蒋介石认为这次胜利代价太大，尤其痛心第五军伤亡惨重。但是，陈明仁师伤亡不大，在战役中起了重要作用。蒋介石对所有参战部队没有表彰，惟独对陈明仁赞赏备至。
  广西民众在战役结束后编了一首快板，传颂陈明仁的战功：“陈明仁，好将军，带兵作战真英勇。昆仑关，古战场，日寇休想来侵犯。”
  第五军第三次攻克昆仑关以后，日军第二十一旅团残部和盐田旅团的两个联队仍在九塘至八塘之间。1940年元旦的中午，日军及川旅团几千人抵达八塘，今村均命令及川原七少将接替被击毙的坂田元一担任前线总指挥。这一天，日军飞机对四四一高地的北侧狂轰滥炸，步兵大举进攻。
  在攻打昆仑关时，郑洞国师攻占了四四一高地的北侧，日军顽强守卫这个高地的南侧。郑洞国师守卫高地的一个团加一个营，战到只剩一百多人，仍然坚守阵地。
  第二天拂晓，郑洞国师动员全部残余兵力反攻，激战一整天，毫无进展，双方维持原有阵地。第三天，杜聿明调集戴安澜师主力和邱清泉师一部，协同郑洞国师继续战斗，战况更为惨烈，双方死伤极为惨重。入夜，日军抵挡不住，败退九塘，战斗结束。郑洞国师因伤亡惨重，奉命撤出战斗，转移到思陇休整。
  第五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。
  第五军开始进攻八塘，日军拼死抵抗，拼杀了八天，毫无进展。第五军连日苦战，伤亡过重，人员疲惫，战斗力减弱，奉命转移休整，姚纯的第三十六军接替攻击。有人认为，这是蒋介石保存嫡系部队的举措，其实第五军休整补充也属正常。战场上还有二十万中国军队，撤下第五军对兵力并无很大影响。
  蒋介石在新年的第七天飞到桂林，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二军、甘丽初第六军、姚纯第三十六军连同傅仲芳军，会同第五军等部队，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，返回柳州的蒋介石，给他送来一封信，推翻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。日军赢得了时间，从容部署部队，直至发动反攻。
  日军大本营被中国军队的攻势所震撼，派参谋次长泽田茂从东京赶到广州。第二十一军副参谋长等人，陪同日军参谋本部和中国派遣军的高级军官到达南宁，也未能改变第二十一旅团覆灭的命运。今村均企图亲自上阵，动用第五师团全部兵力为第二十一旅团报仇，打算在元旦日开始与中国军队决战，但安藤利吉命令他固守南宁待援。
  中国军队全歼日军一精锐旅团(5)
  7日起，日军调往桂南的久纳师团和近卫混成旅团共一万五千人从广州上船。10日，第二十一军制定《宾阳会战指导方案》，定于下旬在宾阳以南地区和中国军队决战。
  如果不是蒋介石朝令夕改，白崇禧趁日军援兵未到，全歼今村师团的计划，是有可能实现的。但是，他失去了这个机会。
  14日，日军近卫混成旅团第四联队三千多人在钦州登陆。两天后，另一支一千多人的日军部队，在钦县和灵山交界的泗合坳，与守军第五二四团激战三昼夜，丢下两百多具尸体。何宣的第四十六军包围了日军的整个联队。日军伤亡惨重，但主力在飞机掩护下突围。
  另一路日军是盐田旅团，与韦云菘的西路军在塘报一带激战。日军部队实现了在南宁周边的集结。中国军队几天前没有乘胜攻击，使日军顺利完成了反攻准备。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二军、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，在今村均指挥下，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。
  今村均指挥的正面进攻，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六十四军火速进军甘棠；樊崧甫率主力第一七五师从江口北渡郁江，协同阻击进攻的日军；另派甘丽初军第四十九师南下武陵圩，阻止日军北上宾阳。不过，这些措施都太迟了！日军在2月1日开始总攻。
  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，他擅自下令，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，便长驱直入宾阳，日军飞机炸毁设在宾阳的徐庭瑶集团军总司令部，导致通讯中断，战场一片混乱。2日下午，日军开进宾阳县城。
  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，今村均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。第五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。
  安藤利吉到达宾阳的当晚，宣布宾阳战役结束，应将兵力集结在南宁附近。