28日，经过重新部署的第五军加紧攻关，两天后，将昆仑关周围的日军据点和侧防机关基本肃清，关里的日本“铁军”主力第二十一旅团已成瓮中之鳖！
陈明仁的陆军预备第二师，也被调来增援昆仑关。陈明仁接到命令，立刻命令三个步兵团强行军到衡阳，转乘火车到柳州，然后日夜兼程，赶到昆仑关。
陈明仁组织敢死队向昆仑关日军占据的三二四高地进攻。第五团敢死队担任正面攻击，第四团敢死队担任左翼攻击，第六团敢死队担任右翼攻击。陈明仁发明了一套独特的战术：“盯黑不打白”，进攻都在夜间进行，白天只派少数官兵潜行侦察敌情，一到夜幕降临，马上出动攻击。
陈明仁的部队一连三晚不断猛攻日军碉堡，摧毁敌堡多处，迫使大部分日军退到第二线。
日军不甘失守，增援反扑，陈明仁师坚守阵地，寸土不让。日军冲上来，守军就出阵肉搏，双方亮出明晃晃的刺刀和战刀，兵对兵、将对将地厮杀在一起。刀枪交错，杀声震天，血流遍地，战斗异常惨烈。陈明仁的部队打败了日军一次又一次的进攻，终于全部拿下了三二四高地。
陈明仁继续指挥第四团向九塘进攻，第五团则从三二四高地尾追日军，向前推进，乘胜占领了百登岭高地。
昆仑关北面的界首高地，是日军最坚固的据点。这里的攻坚战打得分外激烈。郑洞国师的郑庭笈团，被杜聿明调拨给戴安澜师指挥。郑庭笈团在28日晚发起攻击。他们顶着日军飞机的扫射轰炸，不顾牺牲，顽强进攻。郑庭笈派出爆破手，将手榴弹塞进日军据点的枪眼。九个步兵连中，七个连长在日军火力下伤亡！郑庭笈始终在火线指挥，他身边的司号长李均中弹牺牲。郑庭笈团终于在29日上午攻克界首高地。第二天，邱清泉师的邓军林团攻克昆仑关。
这是一场漂亮的攻坚战和歼灭战。第五军全歼日军第二十一旅团，先后击毙旅团长中村正雄和代旅团长坂田元一，以及两名联队长、一名副联队长和三名大队长。日军班长以上军官死亡超过百分之八十五，士兵死亡四千人以上。第二十一旅团名存实亡。中国军队伤亡一万人以上，但基本干部损失不大。
桂南会战整体上是中国军队失利，昆仑关战役却是一个大捷。中国军队靠一个山头一个山头地争夺，赢得了战役的胜利。中国军队全歼日军精锐旅团，消灭它的全部指挥官，尚无第二例。日军的战史说：“通观中国事变以来全部时期，这是陆军最为暗淡的年代。”
不过，蒋介石认为这次胜利代价太大，尤其痛心第五军伤亡惨重。但是，陈明仁师伤亡不大，在战役中起了重要作用。蒋介石对所有参战部队没有表彰，惟独对陈明仁赞赏备至。
广西民众在战役结束后编了一首快板，传颂陈明仁的战功：“陈明仁，好将军，带兵作战真英勇。昆仑关，古战场，日寇休想来侵犯。”
第五军第三次攻克昆仑关以后，日军第二十一旅团残部和盐田旅团的两个联队仍在九塘至八塘之间。1940年元旦的中午，日军及川旅团几千人抵达八塘，今村均命令及川原七少将接替被击毙的坂田元一担任前线总指挥。这一天，日军飞机对四四一高地的北侧狂轰滥炸，步兵大举进攻。
在攻打昆仑关时，郑洞国师攻占了四四一高地的北侧，日军顽强守卫这个高地的南侧。郑洞国师守卫高地的一个团加一个营，战到只剩一百多人，仍然坚守阵地。
第二天拂晓，郑洞国师动员全部残余兵力反攻，激战一整天，毫无进展，双方维持原有阵地。第三天，杜聿明调集戴安澜师主力和邱清泉师一部，协同郑洞国师继续战斗，战况更为惨烈，双方死伤极为惨重。入夜，日军抵挡不住，败退九塘，战斗结束。郑洞国师因伤亡惨重，奉命撤出战斗，转移到思陇休整。
第五军继续向南宁方向进攻。败退九塘的日军，奉命放弃九塘，撤退到八塘固守。邱清泉师进驻九塘。
第五军开始进攻八塘，日军拼死抵抗，拼杀了八天，毫无进展。第五军连日苦战，伤亡过重，人员啤惫，战斗力减弱，奉命转移休整，姚纯的第三十六军接替攻击。有人认为，这是蒋介石保存嫡系部队的举措，其实第五军休整补充也属正常。战场上还有二十万中国军队，撤下第五军对兵力并无很大影响。
蒋介石在新年的第七天飞到桂林，三天后赶到迁江，与白崇禧和陈诚等人讨论下一步作战计划。白崇禧提议：乘日军新败，援军未到，以新到广西的李延年第二军、甘丽初第六军、姚纯第三十六军连同傅仲芳军，会同第五军等部队，全力发动攻势，一举收复南宁。蒋介石批准了这个计划。
第二天，白崇禧已经下令准备开战，返回柳州的蒋介石，给他送来一封信，推翻前一天会议上的决定。这样，白崇禧只好发布新的命令，改变作战部署，中国军队全部进入固守状态。日军赢得了时间，从容部署部队，直至发动反攻。
日军大本营被中国军队的攻势所震撼，派参谋次长泽田茂从东京赶到广州。第二十一军副参谋长等人，陪同日军参谋本部和中国派遣军的高级军官到达南宁，也未能改变第二十一旅团覆灭的命运。今村均企图亲自上阵，动用第五师团全部兵力为第二十一旅团报仇，打算在元旦日开始与中国军队决战，但安藤利吉命令他固守南宁待援。