最后杜聿明讲作战部署。鉴于敌军孤军深入，暂时无后续部队增援，兵力有限，凭险困守，我方尽可采取主动作战，放胆出击。他决定以郑洞国荣誉第一师担任正面主攻;戴安澜第200师为总预备队，随时准备支援荣誉第一师正面战斗;邱清泉新编第22师迂回敌后进出南宁以北，以截断昆仑关之敌，使郑、戴两师放胆围攻。

12月17日，杜聿明搬进南天村高大岭战斗指挥所。虽然敌人的炮弹纷纷落在指挥所附近，在杜的身边爆炸，但他极为镇定，从容指挥战斗。

12月18日拂晓，正面主攻部队荣誉第一师郑洞国部，在战车、炮火的掩护下，对昆仑关敌阵地进行猛烈的攻击。敌我两军相接，进行激烈的白刃战，刺刀见红，手榴弹响成一片。当晚各部乘势进行夜袭，战斗彻夜未停，最终占领昆仑关。

19日午后，敌军在大批飞机的掩护下，进行反攻，昆仑关又被夺去。此后，双方反复争夺阵地，得而复失、失而复得。伤亡甚众。

敌我两军就昆仑关要隘反复争夺。杜聿明运用灵活战术，机动作战，随时调整作战部署。他派郑洞国荣誉一师一部袭攻敌后侧，22日，该部一度突入敌阵。邕宾路上的敌军已被截成数段，仍然殊死战斗，固守阵地，并不断增援。荣一师加强右翼攻势，再度进入昆仑关内敌军纵深阵地，将敌指挥部及炮兵阵地摧毁，敌军开始呈现动摇之态。这时，杜聿明抓紧战机，转移兵力于昆仑关以南方向，彻底捶击昆仑关残敌。

昆仑关残敌被我四面包围，成为瓮中之鳖。但他们仍然凭着“钢军”武士道精神，顽强抵抗。

杜聿明在此期间，每天随身携带电话机和望远镜，冒着敌军炮火和敌机的轰炸，不计个人安危，来到前沿阵地，观测敌情战况，适时指挥各部行动。经过细密的研究比较，他决定采取要塞式攻击法，稳扎稳打，逐步缩小包围圈，一口一口地吃掉敌人。从12月23日起，敌虽增援两个大队兵力，中村正雄旅团长亲自到九塘督战，也不能挽回败局，反而被荣一师第三团当场击毙。12月28日至30日，邱清泉新22师一部，以凌厉的攻势，三度突入关口，占领了全关和敌军的最后一个堡垒。31日昆仑关战场所有零星抗拒之敌全部肃清。

这一场激战，日军损失空前巨大。据日本战后公布的材料，昆仑关一战，日军第5师团第22旅团长中村正雄被我击毙，该旅团班长以上的军官死亡达85%以上，士兵死亡4000余人，被我俘虏的100余人。

昆仑关战役中国军队获得重大胜利，捷报传出，举国欢腾。杜聿明在胜利之后，对于伤亡官兵的处理，有功官兵的奖励，都特为关心。部队经过休整以后，他在巍峨的昆仑关上，建立了一座“陆军第5军抗日阵亡将领纪念碑”，含着热泪亲笔书写了400多字的悼念碑文。蒋介石，何应钦也题词纪念。全国各地的记者纷纷前来采访，杜聿明对记者说：“这次抗战的胜利，各位在战场上都亲眼看到了，请如实宣传，用不着格外夸大。但有一点是需要着重宣传的，那就是要强调本军是民众的武力，民众是本军的父老。所以诸位要是记载这一此胜利，千万要带一笔：本军的胜利，其实也就是民众的胜利。”