1940年10月初，当华北方面军司令部，了解到了八路军的整个百团大战进攻情况后，即令所属部队，首先坚守和恢复各铁路沿线的据点，协同铁路工程部队修复铁路和桥梁，组织部队向铁路两侧及八路军根据地进行扫荡。
其实，冈崎支队并不知道黄崖洞有八路军的兵工厂，当时他们也没有找到水腰兵工厂。这主要是因为他们对当地的地形极不熟悉，且不敢离开地图上标有的路线太远。据战后生还的冈崎支队老兵才田升回忆，冈崎支队一直在沿西井---黄崖洞---左会这一路线追杀八路军的指挥机关，但由于八路军的灵活战术、对当地地形的陌生和粮弹匮乏且补给困难，使得支队疲于奔命而战果甚微，直到10月28日才被迫开始从左会反转。而回忆中没有提到发现八路军的兵工厂的事。
29日，日军冈崎支队500余人，经左会进到蟠龙以东，准备取道武乡回沁县。当天下午1时，八路军总部电令129师集中主力歼灭该敌。冈崎支队并未察觉到形势不妙，当天傍晚即停止前进，宿营关家垴（日军称为文徳高地）。
关家垴位于武乡县以东40多公里，是群山环抱的一个高高的山冈，冈顶上有一块方圆几百米的平地。山冈的北面是断崖陡壁，东西两侧坡度陡峭，只有南坡比较平缓。南坡山壁构筑着孔连一孔的窑洞，这50来户姓关的人家，时村里的人早已避难去了。坡的对面是一棵比关家垴更高的山冈柳树垴。
入夜，129师以385旅、386旅、新10旅和决死1纵队2个团包围关家垴。晚8时，彭德怀下达作战命令：385旅和新10旅为右纵队归刘（伯承）邓（小平）指挥，占领关家垴西北和西面阵地，堵死敌西逃之路；386旅与决死1纵队38团、25团归陈赓指挥，占领关家垴南面及东南面阵地；总部特务团（缺山炮连），由彭德怀亲自指挥，控制关家垴东北面阵地；总部炮兵团3营及特务团山炮连距关家垴东南1000米处占领阵地，为上述各部提供火力支援；拟于次日凌晨4时发起总攻。
谁知当夜，在察觉到自己部队已“被优势共军包围”后，冈崎中佐立即封锁住上山小路，抢修堑壕和深挖洞穴，固守待援。并派步兵第225联队第3中队和1个机枪分队突然袭击关家垴西南之凤垴顶。我决死1纵队38团与25团正在调整部署，疏于防范，以致凤垴顶阵地失守。于是，陈赓迅速命令386旅16团、决死1纵队38团、25团各以一个营进行反击。敌顽强抵抗，我军四次冲锋均被击退，双方形成对峙。日军遂以两处制高点，互为掎角，固守待援。
凌晨3时前，特务团就赶到了预定位置。2营神不知鬼不觉地摸到了关家垴山顶，随着寒光一闪，两个日军哨兵便悄无声息地倒下了。接着战士们把手中的手榴弹甩了出去，沉闷的黑夜顿时被隆隆的爆炸声打破了。爆炸声就是冲锋号，埋伏在山下的部队迅速向各自的目标冲去。起初，战斗相当顺利，特务团很快占领了一排窑洞，正要继续攻击时，左侧的一间窑洞中突然响起猛烈地机枪声，把特务团压得无法展开，密集的火力犹如一道封锁线，攻击受阻。
到中午12点左右，我军除占领敌前沿个别次要阵地外，其余均无进展，其中担任主攻的772团1营仅剩80余人，其中第1连70多人，只剩下3人，第3连50多人，只剩下指导员和2名伤员，4连68人，只剩下10余人。只好停止进攻。385旅14团和决死1纵队38团对凤垴顶的攻击也同时受阻。祸不单行，此时，敌机开始轰炸我军阵地。由于我军缺乏对空作战的装备与训练，部队既没有及时疏散，又没有组织有效防空火力对空射??颗在密集的人群中爆炸，血肉横飞。烈士们的鲜血逐渐汇成了一条条殷红色的小溪，顺着山崖往下淌。
陈赓见一个个英勇的战士倒下，心如刀绞。经过反复思考后，他要通了总部的电话，要求彭德怀立即停止围攻、撤出战斗。可彭德怀的决心仍未改变，下令：“拼光了也要拿下关家垴。”
在这种情形下，刘伯承再次打电话给彭德怀，建议部队暂时撤围，另寻战机。彭德怀一听，按捺不住往上直窜的火气，在电话中告诉刘伯承：“拿不下关家垴，就撤掉129师的番号，杀头不论大小”。
刘伯承一向不生气，但这次碰上了彭德怀的犟脾气，也是气得脸色发青，停顿了一下说：“冈崎大队死守山头，我们也不能不顾战士们的牺牲硬拼吧！”彭德怀怒气冲冲地吼道：“你不给我拿下关家垴，我撤你129师的番号！”彭德怀的犟脾气上了劲，谁也拉不住，刘伯承、邓小平、蔡树藩等人进退两难。刘伯承无奈，只得遵命调整部署，重新组织进攻。
10月31日拂晓，我军第三次总攻开始。第769团从西北方向攻击关家垴。关家垴西北面是五六丈高的陡崖，769团充分利用地形隐蔽接近敌人，其突击部队借助攀登工具和陡崖上的野藤树枝爬到壕坎处，但却被日军发觉，用猛烈的火力封锁了斜坡。因地形所限，突击部队既无法发动冲击，又无法对日军构成火力威胁，在壕坎处是一种孤悬状态。到前沿阵地视察的刘伯承来到第769团，拿起望远镜仔细观察起前面的攻击地形。看到壕坎上面的斜坡上隐隐裸露出来的黄土，刘伯承有了主意，他回过头问团长郑国仲：“那坎上斜坡是土质的吗，可以挖暗道通上去。”
这一句话使所有人茅塞顿开，郑国仲立即让人找来工具，组织突击队从壕坎下面往上挖掘坑道。不到两个小时，一条通往山顶日军阵地后面的通道挖成了。随后再派出突击部队攀登上陡崖，一部分隐蔽在壕坎下面，一部分从通道里爬上山顶，并将团里的火力集中起来对敌人进行猛烈攻击，吸引日军的注意力。山顶上的日军以为八路军又要从斜坡上往上攻，全神贯注地盯着前面的斜坡，没有想到八路军从后面突然冒出来，日军阵地顿时一片混乱。日军此时已被消灭了一大半。
正当攻击部队要进一步动作时，西南方向凤垴顶的日军发觉了关家垴日军的危机，遂用猛烈的侧射火力对关家垴攻击部队扫射。在这种情况下，关家垴攻击部队被迫抽出第769团两个营增援凤垴顶，又是十多次攻击......八路军撤走后，日军对关家垴周围地区进行了疯狂报复，数天之内屠杀群众竟达6000余人。
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