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10月2日，第一兵团各部队奉令加紧包围，痛歼日军，对各部队的军事行动作了具体部署，我军兵力占明显优势，而且士气高昂，此时的日军处境十分窘迫。
薛岳命令南浔、德星线上的第四、七十四军，第一八七、一三九师包围万家岭地区日军于东半面；命瑞武线的新十三、十五师，第九十一、一四二、六十师，预六师包围日军的西半面，向敌发起第二期攻势。此时，我军兵力已占明显优势，且士气旺盛。
我军从东西两路同时向敌一零六师团发起攻击，敌我反复争夺，战况惨烈。
日军阵势大乱，师团位置都难以确认，不得不请求第十一军司令部以飞机侦察，其结果师团推测的位置和实际地点约偏南十公里。
3日，我第九十、九十一师从东西联合夹击南田铺，重创敌军，并以密集炮火轰击敌一零六师团司令部所在地，使敌师团司令部亦面临危险之状态。
此时，敌粮弹严重匮乏，只能倚仗空投。
5日，中国军队调整部署，第七十四军五十八师从南面、第四军九十师从东面、预第六师和第九十一师各一部从西面、第六十六军一五九师和一六○师从北面四个方向加紧合围敌军。决心集中兵力击灭深陷泥淖的敌一零六师团。
薛岳电请蒋介石，缩短外围战线，从东西南北四面对敌一零六师团形成包围。
此前，敌一零六师团被歼近半，其粮、弹两缺，全赖空投，有被全歼可能。
此种情况经我方广播后，日本朝野震惊。
华中派遣军司令亲自组织宇贺支队、铃木支队和第二十七师团留置的佐枝支队，由箬溪地区沿武(宁)永(修)路东进，驰援一零六师团。
我第一兵团不得不由包围万家岭地区的部队中抽出新十三、十五师，第六十、九十一师，预六师等南下武永路阻止日军东进。
6日，薛岳下令反攻。
7日，我军7日又撇下一零六师团，主力转向西，朝辛潭铺前进。在东路德星线，敌军亦未有任何进展。
敌第一零六师团已孤立无援
。第一兵团综合各方情报，认为敌一零六师团主力孤军钻入我南浔线与瑞武线两大主力之间，是歼灭它的极好机会，决心抽调德星、南浔、瑞武三线的兵力，围歼窜至万家岭一带的日军。
将日军退路完全切断，晚上我第四军战士经过激烈的肉搏战又将山头夺回，始终守住这百米高的阵地，粉碎了日军通过这一带冲出白槎、断德安我军后路的险恶计划。
我军向敌开展第三期总攻。
第六十六军以第一五九师及第一六一师之一部展开于金娥殿、公母岭之线，向石堡山攻击前进；第四军之游击部队于7时在刘家岭与敌300余人遭遇；第七十四军经数度猛攻，终将长岭完全克复，并将张古山之敌包围。
8日，驻第一○六师团的军参谋樱田镣三中佐把师团的处境报告给军部，电文预示着第一○六师团的末日即将来临。
第六十六军进占石堡山、老虎尖，并以一部与第四军协力攻占狮子崖西北高地。
第五十一师于该日拂晓前一度攻克张古山最高点，但天明后，敌千余人凭飞机支援反攻，将该地夺回。第一四二师(欠一团)亦于11时由城门山出击，攻占桶汉傅、周家之线。永武路之敌援军，亦被我阻于来龙岭。这样，敌一零六师团在我四面包围中，已成瓮中之鳖。
9日，国民党军夺回梨山等阵地，最后将包围圈紧缩到南田铺、雷鸣鼓刘和潘家３个村庄约三四平方公里的狭小地区。
敌我仍在激战中。
薛岳考虑到武永路敌人援军源源而来，德星线的日军亦在西进，围攻一零六师团的时间不宜过长。待我各攻击部队迅速准备就绪，遂令部队迅猛推进，各守备部队努力压制当面之敌。
晚上，先头部队攻进雷鸣鼓刘日军第一○六师团司令部所在地，与日军展开刺刀战，不久，日军空头照明弹，仅掩护二三百人于10日凌晨向西北方向杨坊街方向逃窜。
第六十六军激战至10日3时，将敌击溃，克复万家岭、田步苏，敌弃尸盈野。残敌千余人、马300余匹。
敌北退被我石堡山守军截击，大部转向西退，一部300余人被我包围歼灭。第四军攻占大金山西南高地及箭炉苏东端高地。