八路军总部特务团受领任务后，团长欧致富要各营营长按照左权的部署立即行动。凌晨3时前，特务团各营就已到达预定位置。第二营神不知鬼不觉地摸到了关家垴的山顶。随着寒光一闪，两个日军哨兵便悄无声息地倒下了。接着，第二营的战士把手中的手榴弹甩了出去，沉闷的黑夜顿时被隆隆的爆炸声打破。
埋伏在山下的特务团各部随着团长欧致富一声令下，迅速向各自的目标冲去。起初，战斗进展得相当顺利，特务团很快占领了关家垴上的一排窑洞。可正当特务团准备继续向前攻击时，左侧的一间窑洞中突然响起猛烈的机枪声，把特务团压得无法展开。特务团警卫连连长唐万成端起一挺机枪，率领一个班从斜坡上猛压下去，拼死冲到窑洞前，随即甩出一批手榴弹。顿时，窑洞里黄烟滚滚。随后，从里面窜出来20多个日军。唐万成端起机枪一阵猛打，10余个日军立时毙命。他刚要往前冲，窑洞里敌人的机枪又响了起来。唐万成的一只手臂被子弹击中，机枪落到了地上。冲在前边的排长赶紧跑过去，将滚落到日军前的机枪抢了回来，随即打出一梭子弹，众人这才脱险。
原来，日军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。特务团不知道此中情况，在同日军争夺窑洞时，付出了不小的代价。欧致富一看情况不妙，立即命令各营暂停攻击，待大部队发起攻击后，再里应外合歼灭敌人。
八路军向关家垴日军发起全面进攻，但因地形不利伤亡较大
10月30日凌晨4时，八路军总部指挥所发出了总攻击信号。随着几发炮弹准确地落到日军的前沿阵地，在日军火力尚未展开之际，八路军对关家垴和柳树垴同时发起了攻击。片刻间，枪声大作，杀声震天。
决死第一纵队三十八团担任攻打柳树垴的任务。攻击发起前，彭德怀亲自来到该团阵地前沿进行动员：“同志们，你们决死队，要向谁决死呀?”“向日本鬼子!”战士们响亮的回答震荡山谷。彭德怀满意地点了点头。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，这让决死第一纵队三十八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。“坚决消灭日本鬼子!”当总攻信号发起后，早已铆足了劲的三十八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，决死第一纵队三十八团终于在天亮时抢占了柳树垴。
在决死第一纵队三十八团攻击柳树垴的同时，八路军其他各部则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。
