2日，藤田师团轮番向第一七三师主阵地冲锋，一时未能突破。当晚，藤田率领攻击部队绕到塔儿湾附近，迫使守军向西退到长湾和高庙坡一线。
3日，日军在炮兵和空军支援下，重点攻击殷家店，多次施放毒气。守军第八十九师将士不畏日军优势火力，频频反击，到5日夜仍在混战。日军一部乘守军独立第五旅接防之际，向杨家湾方面猛攻，随后又向桥头附近推进。第一九三师和第八十九师分别夹击桥头的日军，双方拉锯作战，伤亡惨重。
7日，殷家店方面日军两千多人向桥头增援，另有一千多人正向这里疾进。守军被迫在黄昏后撤到东岳庙附近沿河防守。藤田师团主力又来猛攻东岳庙，王仲廉军顽强抵抗，多次组织反击，汤恩伯也多次跑到前沿督战，但还是被日军突破了防御。入夜，中国军队退到江头店。
9日，钟祥方面的藤江师团已推进到张家集附近，覃连芳军为了避免陷入包围，撤退到唐县镇以北地区，向唐河与白河转移。刘和鼎军留守大洪山游击。汤恩伯的第十三军和王仲廉军，在高城附近与日军激战。
当天，藤田师团的第二十九旅团，又对汤恩伯军发起进攻。双方激战一整天，日军攻破万家店和财神庙阵地。
疯狂的藤田穷追猛打，第三师团主力在二十多辆战车掩护下，从天河口向退到江头店的王仲廉军和汤恩伯军攻击。激战一整天，汤恩伯得知日军另一路两个师团已攻陷枣阳，逼进桐柏，又见当面藤田师团的日军如此猛烈，企图将他的部队包围在桐柏山以南地区，便命令部队撤离江头店，转移到吊金岩和蚂蟥沟一线。
12日，日军集中大量兵力攻击驻守长寿店地区的张自忠军第一三二师等部阵地，双方激战七天七夜，第一三二师阵地多次被突破。张自忠决定派出奇兵，打击日军神经中枢。他派出第一三二师的第三五九团，另配一个营，趁夜绕道偷袭日军设在钟祥县的总指挥部。部队出发前，他对官兵们训话：“国家养兵就是为了打仗，打仗就会有伤亡。人总是要死的，多活二十年少活二十年，转眼就过去了。但死有重于泰山，有轻于鸿毛，为国家为民族而死就重于泰山，否则轻如鸿毛。”
袭击部队当晚潜行十五公里，一举端掉日军总指挥部。正面进攻的日军惊闻老巢被端，大为恐慌。张自忠指挥部队趁势猛烈反攻，打得日军狂退三十公里，大获全胜。蒋介石通电嘉奖。老百姓则称张自忠为“活关公”。
值得一提的是，在武汉会战和南昌作战中，冈村急于抢头功，使用两个特设师团打所谓“翻身仗”，已引起大本营首脑的不满。这次随枣作战，他与参谋总长载仁和陆军大臣板垣征四郎的矛盾公开化了。中国军队借此机会变守势为攻势，李宗仁命令汤恩伯集团军会同第一战区的孙连仲第二集团军从河南西部南下，将大部分日军反包围在襄东平原地区，进行猛烈攻击。张自忠集团军主力向枣阳进攻，其余部队攻击钟祥的日军，牵制日军后方。
中国军队的反攻迫使日军撤退。14日，孙连仲集团军的池峰城军收复唐河县，16日光复桐柏，粉碎了日军的合围计划。到19日，中国军队经四天苦战，重创了南返的日军，收复枣阳。左集团军的刘和鼎军奉令化整为零，进入山区分散游击；右集团军的河东部队及江防军连日发动进攻，袭击日军后方，切断交通，完成任务后，于21日撤回襄河西岸，22日向随县迫进，第二天收复随县。日军退回钟祥、应山等原驻地，至此，大体恢复战前态势，会战宣告结束。
随枣会战，中国军队粉碎了日军西进的阴谋，巩固了鄂西屏障。会战中毙伤日军一万三千多人，日军遗尸五千多具，其中张自忠的右翼兵团歼灭日军四千五百多人。第五战区也受到较大损失。中国的参战部队进退主动，适时转移到外线，立于有利的地位，在日军撤退时，追击和阻击得力，取得较大的战果。