刘伯承
无奈撤围看着被压制在壕坎的769团，刘伯承心生一计，他命令769团一边佯攻，吸引日军的注意力，一边从壕坎下方挖地道，通到日军阵地后方。
就这样，769团边打边挖，终于打通了通往山顶的道路，与日军在关家垴山顶展开激战。
而后，769团的后续部队也冲上了山顶，经过激烈的肉搏战，769团打退了日军，控制了制高点，山顶的残余日军撤到窑洞中继续抵抗。
经过一天激烈战斗，八路军歼灭了大部分日军，艰难地占领了关家垴和柳树垴的部分阵地，但两处的主阵地仍在日军手中，还有100多日军没有被消灭。
10月31日，战斗还在继续，从周边县城出动的2500只日军向关家垴驰援而来，他们遭到了385旅和新编第10旅的顽强阻击。与此同时，从黎城出发的数千只日军援兵，也在朝关家垴挺，386旅不得不分出去一个团进行阻击。
陈赓和刘伯承见彭德怀态度坚决，开始组织部队狠打残敌，力争在日军救援部队到达前吃下关家垴。但打了整整一天，仍旧有日军残敌负隅顽抗，八路军始终无法完全占领阵地。
11月1日，日军10余架飞机飞到关家垴上空，增援部队也逐渐逼近关家垴，八路军开始腹背受敌。无奈之下，彭德怀只得下令结束战斗，八路军各部有序退出战场。
关家垴的60多只残敌，也在日军的接应下仓皇逃离战场。
关家垴一战，八路军以8个主力团绝对优势的兵力，猛攻日军的一个500人大队。经过两天激战，歼灭敌军400余人，八路军则伤亡了2100余人（其中亡600伤1500）。
“围点”没有完全吃下，“打援”没有挡住，还付出了5倍于敌伤亡的代价，可以说打了一场彻底的败仗。
此后，关家垴战役成为了争议比较大的战斗，八路军指战员们对此战的看法不尽相同。
彭德怀是此次战斗的主要指挥官，他的战术是与敌人硬拼到底。反对他的声音（以陈赓和刘伯承为代表）认为，彭德怀和敌人硬碰硬，违反了红军、八路军扬长避短，跟敌人打游击战和运动战的方针，这才造成了八路军的重大伤亡。
特务团团长欧致富等人则看到了彭德怀的本意，他们坚决支持彭德怀，理由是：八路军是一支正规主力军，不能只会打伏击战和游击战。如果八路军想要在将来有所作为，那么，与敌人面对面的猛攻和坚守，也是八路军必须要具备的能力。
决死第一纵队政治委员回忆道：彭老总向我调两个团加入战斗时，我是很积极的，我们的伤亡是很大，但这两个团也真正打出来了。后来，参加关家垴战斗的两个团，成为了我们纵队的最强主力团。
两个论点各有各的道理，对此我们很难得出一个公正的结论。但在当时的背景下，彭德怀提出的理念确实有些超前，与*“游击战为主，运动战为辅”的战略背道而驰。在战役中，我军伤亡过大，且没有达到期望效果，总得来说是得不偿失的。
彭德怀后来承认，他在关家垴战役中所做的决策，不符合当时的客观条件，让八路军“打得很艰苦，伤亡很大”。他对此次战役深感不安，并将其称为自己的四大败仗之一。
彭德怀
不过，这场败仗也不是全无是处。
此役，八路军暴露出了单兵能力不足、步炮协同不够、基层指挥欠佳等一系列问题，这与百团大战前，八路军渡过黄河、大规模扩编是离不开的。八路军3万余人扩大到40万人，数量上去了，但军队质量较之前有所下降，原先的指战员们被连连提拔，能力与所担任职务尚不匹配，经此一战，八路军发现了自身的弱点，并努力予以改善。
日军撤退后，八路军首长一起登上关家垴，仔细查看日军工事，包括掩体构造、火力配置等。看完后刘伯承表示大受启发，日军善于利用地形构筑工事，火力配置也十分合理，刘伯承将其推广到八路军队伍中，供众人学习。
日军在此战中挖了许多“猫耳洞”，人躲在里面可以有效规避炮火，非常安全，这一招就被八路军学了去。后来在对越反击战中，解放军就曾大量使用“猫耳洞”。
人民军队的优点就是善于在战争中学习，有时候，敌人也是非常好的“老师”，我军在复盘关家垴的战斗时获益良多，诸多八路军战士的鲜血并没有白流。
