10月30日上午9时左右，关家垴上空飞来了几架日军飞机，并开始对关家垴进行狂轰滥炸。关家垴地方小，八路军投入进攻的兵力多，日军飞机的轰炸给八路军以很大的威胁，八路军不得不暂时停止进攻。日军飞机狂轰一番后掉头而去，八路军各部继续向当面之敌展开进攻。就在这时，决死第一纵队三十八团与二十五团调整部署时，因战场经验不足，遭到日军的猛烈反击，一度被三十八团攻占的柳树垴又被日军夺了回去。战场形势的这一变化是彭德怀、左权未曾想到的，也影响了其他部队对关家垴的进攻。接到报告后，彭德怀、左权立即命令陈赓组织兵力进行反攻。于是，八路军在进攻关家垴的同时，不得不重新组织三个营的兵力反攻柳树垴。然而，连续攻击了四次，其中一个营还加攻了三次，并有两次攻上了山头，但由于地形和几支部队协同及火力配合欠佳，虽给日军以很大杀伤，却未能夺回失去的主阵地，只好与日军形成对峙。八路军自身伤亡也较大。
在关家垴，三八六旅七七二团正由东北方向攻击前进。由于攻击地形十分不利，能接近敌人阵地的只有一条约0.3米宽的小道，战斗打得异常残酷。战士们一次又一次地攻击，一个台阶一个台阶往上爬，反复与日军短兵相接，伤亡极大。战至中午，七七二团一营原本70多人的一连只剩下3人;50多人的三连只剩下指导员和2名伤员;近70人的四连只剩下10余人。午后，一营剩下的人员在营长蒲大义的带领下仍继续配合兄弟部队向日军攻击。14时，当一营参加进攻的部队被兄弟部队换下来时，只剩下6人。战况之惨烈可见一斑。
三八五旅七六九团从西北方向攻击关家垴。这一面，是一个约20米高的陡崖，快到崖顶的地方，有一个略凸出来的壕坎，上面是30多米长的一个斜坡，一直通到关家垴山顶日军的前沿阵地。攻击前，七六九团突击部队曾借助攀登工具和陡崖上的野藤爬到壕坎处，但被日军发觉，日军随即用火力封锁了斜坡。因地形所限，七六九团突击部队既无法发起冲锋，又无法压制日军火力，反被日军压制在壕坎处无法行动。七六九团的后续部队也因地形的限制无法投入战斗。
八路军总部特务团虽然先于大部队攻上了关家垴，并在大部队发起攻击后继续向日军发动攻势，但因受地形及重武器缺乏的限制，未能给关家垴上的日军以致命打击，也无法压制日军的火力，自身伤亡也在不断增加。
八路军几路攻击部队的进攻行动先后受挫，战斗一度呈胶着状态，八路军的伤亡在不断增加。一些指战员见不少战友先后倒在了自己的面前，不禁怒火中烧，打红了眼，即使负了重伤也不下火线，要坚持战斗到底，誓为牺牲的战友报仇。
对于是否继续攻打关家垴，八路军众将领产生分歧
八路军进攻受阻，且伤亡较大，这令在前方指挥作战的陈赓坐立不安。他对是否要继续攻打关家垴产生了犹豫。随后，陈赓拿起了电话，向彭德怀提出了自己的意见：“此处的地形对我十分不利，是否可以把冈崎大队放下山来，另选有利地形打他的伏击?”“不行，一旦放走日军，就很难再打着他了，必须在此将其消灭!”彭德怀态度坚决。“这样打下去，代价太大了!”陈赓想继续说服彭德怀。彭德怀答道：“就是拼光了，也要拿下关家垴!”“现在拼光了，以后怎么办?”陈赓问道。“拼光了以后再补充。不能打硬仗的部队，以后也没有前途!”彭德怀的语气仍不容置疑。“这样打法，我不赞成!”陈赓有些急了。“有意见可以保留，但命令必须执行!”彭德怀随即放下了电话。陈赓只好继续组织部队向前攻击。
