拂曉，第一七三團開始攻擊，向日軍主陣地進行衝鋒。第一線部隊都隨身帶著對空布板，根據攻擊進展沿線鋪設，同時他們還以電話通知指揮所內的美軍對空聯絡官，以指示空軍的打擊目標。
當步兵衝鋒時，中美空軍不僅對日軍主陣地進行轟炸，還使用二十毫米口徑重機槍進行輪番掃射。
按照原計畫，部隊應於中午十二點以前完成殲敵任務，但事與願違，直到中午時分，第一七三團都未能衝垮日軍陣地，也未能迫使其後撤。
日軍的防守如此頑強，自然是另有所圖，從意圖上分析，他們是要死守待援，指望與援軍匯合後在茶山坳取得突破。
五十八師遂以大部隊封鎖了日軍的後路，以阻止其後續部隊增援。與此同時，第一七三團也遵令調整了部署，挑選敢死隊員組成幾個衝鋒隊，向日軍主陣地實施衝鋒。這是換裝之後第七十四軍比較典型的一種進攻戰術，即先以迫擊炮射擊一個小時，對日軍陣地進行壓制破壞，然後發射黑色信號彈，組織衝鋒隊在迫擊炮的掩護下呈波狀隊形進行衝鋒。
它的一個突出特點是，敢死隊員不是在迫擊炮停止射擊或延伸射擊時才衝鋒，而是在迫擊炮集中射擊的同時就衝鋒，所以常有士兵被己方發射的迫擊炮彈擊中的情況，但這種進攻方式確實能產生出攝人心魄的氣勢，且在實戰中也具有一定的效果。
日軍據於高山之上，對周圍的情況看得十分真切，發現退路被切斷後，困獸猶鬥，抵抗時更加瘋狂。每當衝鋒隊衝到離山頭數十米甚至十幾米時他們才開始射擊，而且射得非常准，因此敢死隊員傷亡很大。這種情況下，各衝鋒隊仍前仆後繼，捨命攻擊。
第一七三團有一個連長叫梁月波，是印尼華僑，抗戰爆發後即回國參加抗戰。他考入了黃埔軍校，畢業後分發第五十八師見習，隨之調任上尉參謀。梁月波的英語很好，與美軍聯絡官交談，比那些從大學投軍的翻譯還要流暢。照理，他用不著到第一線作戰，但他一再請求下連隊，最終擔任了連長。
此次梁月波又主動請纓參加了衝鋒隊。他手持國旗，帶頭衝鋒達七八次之多。美軍戰機駕駛員在上空看得清清楚楚，十分感動，於是便報告了第四方面軍司令部，稱讚這位中國戰士在戰鬥中特別勇敢。第四方面軍司令部來電話查詢，師參謀部據實進行上報，會戰結束後，梁月波因此得到了一枚以美國總統羅斯福名義頒發的獎章。
為了能夠迅速結束戰鬥，在衝鋒隊反覆衝鋒的同時，空軍對日軍主陣地投擲了凝固汽油彈。激戰至下午五點半，第一七三團全部佔領了茶山坳日軍陣地。此役當場俘虜日軍負傷少尉軍官一人，日軍士兵三十餘人，其餘大隊長以下約四百餘人均陳屍山頭，除被擊斃者外，還有許多日本兵被汽油彈燒成黑炭，身體與四肢都成弓形翹了起來。
駐五十八師的美軍聯絡組絕大多數人都與中國官兵相處融洽，只有組長白朗生中校是個特例。白朗生畢業於西點軍校，他有一個兒子喪生於太平洋戰場。來到中國後，老爺子一心要為兒子報仇，然而中國落後的軍事裝備以及參差不齊的官兵素質，與他急切的復仇心態形成了鮮明反差。為此，白朗生對中國人打仗的水平很是不屑，經常超越部隊的實際能力，給中國同行出難題。茶山坳殲滅戰打響之前，他更是在敵情、部隊所處位置、彈藥補給等問題上和師部人員喋喋不休地進行爭論，弄得大家十分頭大。
殲滅戰結束後，白朗生的態度出現了一個一百八十度的大轉變。當前線部隊押解著俘虜及戰利品經過時，他竟然肅立道旁，向騎著日本大洋馬的戰士舉手敬禮，還豎起大拇指連聲高呼：「頂好，頂好！」
第五十八師繳獲了大量戰利品，僅在山頭上就繳獲三八步槍三百餘支，輕重機槍、擲彈筒七十餘件，另外還有軍刀、肩章、望遠鏡等各種雜物。
除了武器必須送交軍械處，文件、日記要供參謀處研究外，其餘戰利品都可以便宜處置。於是幾名聯絡組的美軍官兵就跑來參謀處索求戰利品作為紀念，其中一名中尉軍官得到了一面日本小隊長的指揮旗，旗上有幾個彈孔，還有血斑。
美國人知道旗子的紀念價值，看到之後，許多人都來，但是已經沒有了。這種旗子本來應該有很多，但是基層官兵不重視，沒有注意收集，所有隻有一面。
眾人十分沮喪，只好羨慕那名先到先得的中尉真是好運氣。