军区聂司令员收到情报，马上命令第1军分区第1、3、25团，第3军分区第2团，游击第3支队等参与了此次战斗。
战斗中，各团充分发挥熟悉地形等优势，占据有利高地，对日军进行逐层阻击、包围和攻击。
1939年11月3日，日军独立混成第2旅团独立步兵第1大队主力被八路军歼灭于雁宿崖。
4日，阿部规秀亲率步兵第2、第4大队，分乘90余辆卡车，向雁宿崖、银坊方向急进，企图寻歼晋察冀军区第一军分区部队决战。
晋察冀军区司令员聂荣臻指示杨成武统一指挥约6个团的兵力迎击。
杨成武决定采取“诱敌入瓮、据险伏击、牵制增援”的战法，以少数兵力节节抗击，实施诱击调动敌人。
6日，日军在八路军小部兵力诱击下，黄昏抵进黄土岭。杨成武指挥伏击部队趁夜展开行动，完成合围伏击部署。
7日15时许，日军全部进入黄土岭伏击阵地，第1、25团迎头阻击，第3团和第2团分别从西、南、北三面包围，日军阵势大乱，慌忙抢占高地反扑，双方展开激烈山地争夺战，交战中八路军炮兵营炸毁日军电台。
16时许，第1团指挥员发现黄土岭东侧小庙附近有多名日本指挥官，即令迫击炮连轰击，阿部规秀被击中，不久毙命。
日军在电台被炸、指挥官阵亡的情况下陷入严重混乱。
7日晚，日军被歼过半，其余数百人被压缩在上庄子附近山沟里，连续突围10余次均被击退。
八路军采取“巩固阵地、小股袭扰”方式防敌逃跑。与此同时，驻涞源、蔚县等地日伪军正兵分多路向黄土岭方向增援。
聂荣臻令各县区游击队开展袭扰活动，牵制增援日军。
8日，被围日军在5架飞机掩护下全力突围，八路军与敌激战，歼灭大量日伪军。因日军空投物资且调集重兵增援，晋察冀军区和第120师指挥员判断继续作战不利，遂决定撤出战斗。