攻占陈庄的日军遭八路军彻夜袭扰，已是疲惫不堪。敌首水源义重更是心惊胆战，坐卧不安。此时他觉得作战目的已经达到，能向上司交差了，再留在这里恐怕夜长梦多，不如及早撤退；但就这么走了，却又心有不甘，遂令鬼子兵开始烧房。
9月28日拂晓，陈庄上空腾起了滚滚的浓烟，顷刻之间，800多户的村庄淹没在一片火海之中。针对日军放火烧房这一行动，贺龙判断日军应该是准备回逃了。果然不出所料，在熊熊的烈火中，日军先头部队开始撤离陈庄。贺龙立即命令部队准备战斗。
8点多钟，陈庄方向传来了密集的枪声。侦察员报告，敌人出了陈庄向东沿大路撤退，在七祖院村与特务团一部打上了。这个消息令人振奋，敌人就要进入伏击圈了。可是，半小时后，一个侦察参谋报告，敌人的主力已经后撤，离开大路涉渡慈河，有沿来路逃跑的迹象。狡猾的敌人又开始耍起花招。
358旅旅长张宗逊接到报告后非常惊讶地说：“好狡猾的牛刀子专家，果真又搞新花样了。”当即向贺龙师长报告了情况。贺师长听完大家的分析和报告后，手拿烟斗，紧吸了一口烟，站起来胸有成竹地说：“我仍然肯定原来的判断，敌人并没有发现我们的设伏位置。因此，他沿小路南逃的可能性很小，这可能是水源又在弄鬼。”遂决定按原有部署不变，主力部队在预设阵地待敌。但是为慎重起见，贺师长还是令2团和特务团抽些部队赶往长峪一带，防止敌人真的从原路回逃。
一个小时以后，前去侦察的人员报告，敌主力过慈河后，又转换了方向，利用河边芦苇和树林作掩护，正沿慈河南岸的大路向东逃窜。指挥部的首长不约而同都长吁了一口气，敌人到底还是朝着给他安排好的死路来了。
眼看着敌人一步步向埋伏圈走来，八路军战士个个摩拳擦掌，翘首以待。
战斗很快打响了！刚开始的时候，日军还认为八路军又上了他“新战术”的当，把主力调至他们来时的小路上，现在遇到的只不过是一些不成气候的游击队，因而并不在意。他们一面还击，一面大摇大摆地向东撤退。当敌人快到叠谷崖北侧时，遇到了716团1营的猛烈阻击。正向长峪急进的2团主力，听到这边猛烈的枪声，也从后边追了过来。敌人这才发现势头不对，开始乱了阵脚。水源一见这阵势，差点儿从马背上摔下来，急忙指挥部队向东急速逃窜。
716团1营坚守的叠谷崖阵地，是伸向慈河的一个突出部。它像一扇闸门，死死卡住了敌人向东逃跑的道路，八路军利用这一地形大量消灭了敌人的有生力量。
水源发现这一情况后，遂以2个中队的兵力向这个阵地发起了连续进攻。日军士兵们个个都想逃命，便凭借着优势火力疯狂地猛冲。1营指战员沉着应战，放敌靠近，突然猛打，冲在前面的敌人不少都滚下山去。
就这样，1营官兵同敌人展开了一场激烈的争夺战，从上午9点多一直打到下午1点多。4个小时里，先后打退了日军4次冲击，和敌人进行了3次肉搏战，阵地坚如磐石，一直牢牢地掌握在八路军的手里。
敌人被八路军压制在河沟里，成群地挤在一起，既无藏身之地，其火力优势又难以发挥，急得如热锅上的蚂蚁团团乱转。这时，一部分敌人北涉慈河，企图抢占慈河北侧的268等高地。预伏在阵地上的716团2营官兵，突然以猛烈的火力进行阻击，敌人猝不及防，整批整批地倒毙在淤泥里。残余的敌人无奈，又狼狈地逃回了慈河南岸。
敌人向东、向北突围均残遭失败，于是便把南北昙花楼之间的鞍部作为突破口，企图从此突围。八路军发觉后，迅速以步枪、手榴弹阻击突围之敌，但由于八路军武器装备低劣，担任阻击任务的部队又是从冀中水灾区赶过来的，许多手榴弹受潮失效未爆。因此，敌人便趁机逃逸，一部分敌人仗着优势火力抢占了南昙花楼附近的有利地形。八路军见状急调据守北昙花楼的部队向敌人发动攻击。但由于日军居高临下，八路军发起的四五次冲击，均未成功。
最后，战士们在10连连长兼指导员张钦的带领下，进行了密集的冲锋，以排山倒海之势直入敌人阵地，与敌人展开了殊死的白刃肉搏战。敌人惊恐万状，仓皇溃退，八路军战士趁势奋勇追杀，全歼了占领南昙花楼之敌。