拂晓，第一七三团开始攻击，向日军主阵地进行冲锋。第一线部队都随身带着对空布板，根据攻击进展沿线铺设，同时他们还以电话通知指挥所内的美军对空联络官，以指示空军的打击目标。
当步兵冲锋时，中美空军不仅对日军主阵地进行轰炸，还使用二十毫米口径重机枪进行轮番扫射。
按照原计划，部队应于中午十二点以前完成歼敌任务，但事与愿违，直到中午时分，第一七三团都未能冲垮日军阵地，也未能迫使其后撤。
日军的防守如此顽强，自然是另有所图，从意图上分析，他们是要死守待援，指望与援军汇合后在茶山坳取得突破。
五十八师遂以大部队封锁了日军的后路，以阻止其后续部队增援。与此同时，第一七三团也遵令调整了部署，挑选敢死队员组成几个冲锋队，向日军主阵地实施冲锋。这是换装之后第七十四军比较典型的一种进攻战术，即先以迫击炮射击一个小时，对日军阵地进行压制破坏，然后发射黑色信号弹，组织冲锋队在迫击炮的掩护下呈波状队形进行冲锋。
它的一个突出特点是，敢死队员不是在迫击炮停止射击或延伸射击时才冲锋，而是在迫击炮集中射击的同时就冲锋，所以常有士兵被己方发射的迫击炮弹击中的情况，但这种进攻方式确实能产生出摄人心魄的气势，且在实战中也具有一定的效果。
日军据于高山之上，对周围的情况看得十分真切，发现退路被切断后，困兽犹斗，抵抗时更加疯狂。每当冲锋队冲到离山头数十米甚至十几米时他们才开始射击，而且射得非常准，因此敢死队员伤亡很大。这种情况下，各冲锋队仍前仆后继，舍命攻击。
第一七三团有一个连长叫梁月波，是印尼华侨，抗战爆发后即回国参加抗战。他考入了黄埔军校，毕业后分发第五十八师见习，随之调任上尉参谋。梁月波的英语很好，与美军联络官交谈，比那些从大学投军的翻译还要流畅。照理，他用不着到第一线作战，但他一再请求下连队，最终担任了连长。
此次梁月波又主动请缨参加了冲锋队。他手持国旗，带头冲锋达七八次之多。美军战机驾驶员在上空看得清清楚楚，十分感动，于是便报告了第四方面军司令部，称赞这位中国战士在战斗中特别勇敢。第四方面军司令部来电话查询，师参谋部据实进行上报，会战结束后，梁月波因此得到了一枚以美国总统罗斯福名义颁发的奖章。
为了能够迅速结束战斗，在冲锋队反复冲锋的同时，空军对日军主阵地投掷了凝固汽油弹。激战至下午五点半，第一七三团全部占领了茶山坳日军阵地。此役当场俘虏日军负伤少尉军官一人，日军士兵三十余人，其余大队长以下约四百余人均陈尸山头，除被击毙者外，还有许多日本兵被汽油弹烧成黑炭，身体与四肢都成弓形翘了起来。
驻五十八师的美军联络组绝大多数人都与中国官兵相处融洽，只有组长白朗生中校是个特例。白朗生毕业于西点军校，他有一个儿子丧生于太平洋战场。来到中国后，老爷子一心要为儿子报仇，然而中国落后的军事装备以及参差不齐的官兵素质，与他急切的复仇心态形成了鲜明反差。为此，白朗生对中国人打仗的水平很是不屑，经常超越部队的实际能力，给中国同行出难题。茶山坳歼灭战打响之前，他更是在敌情、部队所处位置、弹药补给等问题上和师部人员喋喋不休地进行争论，弄得大家十分头大。
歼灭战结束后，白朗生的态度出现了一个一百八十度的大转变。当前线部队押解着俘虏及战利品经过时，他竟然肃立道旁，向骑着日本大洋马的战士举手敬礼，还竖起大拇指连声高呼：“顶好，顶好！”
第五十八师缴获了大量战利品，仅在山头上就缴获三八步枪三百余支，轻重机枪、掷弹筒七十余件，另外还有军刀、肩章、望远镜等各种杂物。
除了武器必须送交军械处，文件、日记要供参谋处研究外，其余战利品都可以便宜处置。于是几名联络组的美军官兵就跑来参谋处索求战利品作为纪念，其中一名中尉军官得到了一面日本小队长的指挥旗，旗上有几个弹孔，还有血斑。
美国人知道旗子的纪念价值，看到之后，许多人都来，但是已经没有了。这种旗子本来应该有很多，但是基层官兵不重视，没有注意收集，所有只有一面。
众人十分沮丧，只好羡慕那名先到先得的中尉真是好运气。