首先发起冲锋的是686团2营，随后其他部队也潮水般涌向敌人。潜伏在碉堡附近和村庄里的部队也同时杀出，将山口旅团和据点里的敌人打得晕头转向。
山口的指挥机关首当其冲，被冲上公路的686团2营拦腰斩为几段。两头的日军见旅团机关被围，拼命反扑，妄想解围，因而使包围圈越缩越紧。
师特务连全部是新式装备，火力很猛，将敌人的后卫部队打得人仰马翻。
杨勇及时将预备队685团2营投入战斗，这支生力军如猛虎下山，直扑敌指挥机关，首先帮助686团2营中间开花，打乱了敌人的中枢神经。
山口旅团长没来得及拔出战刀便在战斗开始时被迫击炮命中，连人带马被冲击波掀进了路旁的深沟。副官冒着密如骤雨的流弹将他的尸体背上公路，扔上马车，仓皇东逃了。当时伏击圈尚未合围，这是战斗中唯一漏网的日本军官。
激战仅2个多小时，800多名日军被分割包围，一段一段吃掉了。王家池据点的碉堡是迫击炮的重点打击对象，在首轮射击中变成了废墟。川琦中队在惊慌中逃出据点，遭到潜伏在村里的八路军的猛烈冲击，很快被杀得片甲不留。
这次伏击共歼敌800余人，缴获战马100余匹，各种枪支560余条。
吕梁山三战三捷的消息传到延安，陕甘宁边区政府组织了庆祝活动。山口旅团强渡黄河威胁陕甘宁的狂妄企图终于化为泡影。