如能直插日军后方，无疑将使中国军队更为主动。
     “杜聿明就下命令，让新编第二十二师派了10辆小战车走小路越过去，另外派了工兵团，带上了绞车。到了过不去的地方，就用绞车把战车绞上去，那种小战车只有三吨半重。下山的时候，同样又绞下去。”廖伯群说。
    据廖伯群回忆：经过先后5次运输，新编第二十二师的战车绕到了昆仑关日军后方。
     12月29日凌晨，中国军队在炮兵、装甲车的协同下再次发起强攻，第二○○师、荣誉第一师、新编第二十二师与第一五九师均投入进攻。同时，绕到敌后的战车也发动突袭。
    困守多日的日军虽仍顽抗，但不足以抵挡中国军队的强大攻势。至30日，大部分阵地被中国军队攻占。
    12月31日拂晓，第五军在炮火支援下向昆仑关发起最后冲击，至上午11时肃清全部日军，占领昆仑关。
     廖伯群所在的连奉命夹击昆仑关，他驾驶着坦克冲上了昆仑关主阵地。廖伯群回忆：“战车把昆仑关拿下来，步兵都跟上来了，占领了阵地。日本人都死完了，要想捉他一个活的不可能。那一仗打下来过后，到处都看到死人。”
     廖伯群记得，当时十几名幸存下来的日本兵躲进了一个小山洞里，试图进行最后的抵抗。无论洞外的中国军人如何劝说，这些日本兵就是不肯投降。“他们就是不出来，放烟雾弹进去还是不出来。最后，边放烟雾弹边用辣椒面往里头吹，这时候他们就集体自杀了。等里面没得动静了，战友们进去一看，只有十几具尸体。”
    最后的攻关战，中国军队伤亡惨重。许万寿说：“我这个连一共损失了2辆战车，2门炮，14个士兵”。
     1940年1月2日开始，中国军队对昆仑关南的九塘、八塘实施围攻，但因日军增援部队进抵，守备力量增强，中国军队连攻7日，未能攻下，双方形成对峙。1月11日，第三十六军接替第五军防务，将第五军撤往后方休整补充。激战多日的昆仑关战役暂时平静下来。此时，各地报纸已开始宣传“昆仑关大捷”。
    据郑洞国说：此役，日军精锐的第五师团第二十一旅团基本被全歼，军官死亡达85%以上，4000余名士兵阵亡。
     日军战史承认：“中国军队攻势的规模很大，其战斗意志之旺盛，行动之积极顽强，在历来的攻势中少见其匹。我军战果虽大，但损失亦为之不少。”“通观中国事变以来全部时期，这是陆军最为暗淡的年代。”
     “昆仑关大捷”，其实中国军队的伤亡比日军更多：荣誉第一师万人撤下战场的时候，战斗兵只剩700人。第五军负伤万余人，阵亡5600余人，生死不明800余人，另伤亡及失踪的杂役兵6416名，共计伤亡约万。杜聿明在昆仑关纪战碑碑文里说：“攻坚之苦、牺牲之烈殆兴军以来所罕有，而攻坚克险实开抗战之先河。”
    “昆仑关大捷”之后，便是惨败。
     1940年1月10日，白崇禧向蒋介石提议：乘敌新败，援军未到，倾各部之力发动攻势，一举收复南宁。蒋介石批准了这个计划。第二天，正当白崇禧发布部署命令准备开战时，返回柳州的蒋介石致白崇禧一封信，推翻了头一天的决定。白崇禧只好发出改变作战部署的新命令，中国军队全部进入固守状态。日本方面赢得时间，调来增援部队，部署反攻。