当敌车队的先头一辆车进到小河底，最后一辆车也进入伏击区时，徐向前及时发出了攻击命令，两个团同时突然向敌开火。步枪、机枪、迫击炮顷刻间一齐开火，暴雨般地洒向敌车队。毫无戒备的日军被这突如其来的猛烈打击打得懵头转向，惊慌失措，汽车在山沟里像没头苍蝇一样乱冲乱撞，整个行军队形失去控制，混乱不堪。有的敌人在汽车上还来不及把迫击炮、机关枪架起来，就被火力消灭了。有的敌人躲到汽车底下妄图顽抗，立即被我火力压制得抬不起头了。战士们根据汽车存在的弱点，首先集中火力先打汽车轮胎，打掉它的"腿"，叫它们跑不动，瘫痪在路上，以此把道路的两头先堵死。尔后又以火力、手榴弹射击和爆炸汽车油箱，以致起火烧汽车，使敌人无法利用车体做掩护负隅顽抗，同时也可以借"火势"向敌人攻击。再次，由于战斗突然发起后，整个行军编队被汽车的瘫痪和起火分隔成数段，使敌人无法协调和支援。伴随的护卫队分散乘载汽车，也被分割成数段，不易集中兵力火力，也不便指挥和配合，更难以形成有效的抵抗。战斗中，部分敌人分成几股向南山脚下逃窜，大部分被我预伏部队的机枪、手榴弹压回到大道上消灭得干干净净。

就在敌人受到火力突袭，伤亡较大，毫无还手之力之时，徐向前果断抓住战机，一声令下：向残敌发起冲击。埋伏了一夜的八路军战士，犹如猛虎下山一样冲入敌阵，以手榴弹、刺刀、梭镖和大刀片消灭了那些负隅顽抗的敌人。经两个多小时的激战，我共毙伤日军森木少佐以下400多名。180多辆汽车东倒西歪，满目狼藉，全部被摧毁。日军第十四师团山田辎重队两个汽车中队遇到了毁灭性的打击，其嚣张气焰消失殆尽。就在战斗紧张激烈进行时，黎城及东阳关敌步骑兵400余人，附炮2门，向马家拐实施增援，企图解响堂铺被伏敌人之围，但当敌人接近响堂铺之前，就被我预先设伏的第七七二团击溃，退至长碾及东阳关以北的高地两个要点，利用已筑成的坚固阵地及长城旧堡顽强抵抗，两要点均被我军夺取，敌人退入东阳关坚固房屋坚守。

随后，黎城敌人又出动200余人，携炮4门，会合退守东阳关的敌人在飞机10余架的掩护下，连续向第七七二团发动攻击，并曾两度向我冲击，两次均被击退，敌退守东阳关，再也不敢出城增援，仅以炮兵向我阵地乱轰。同时，涉县的敌军400余人，乘汽车倾巢出援，也被第七六九团在椿树岭以东阻击打退。结果敌人的汽车全部被毁，几次增援也全部被打退。车辆燃烧的火焰浓烟遮天蔽日，直冲云霄，敌人的死尸东倒西歪，满沟遍野。

下午5时，日军出动了10多架飞机，对响堂铺地区实施了近2个小时的狂轰滥炸。但此时，徐向前已率领部队转移到了秋树垣一带。由此，取得了响堂铺伏击战的彻底胜利。这次战斗，我共缴获迫击炮4门，重机枪2挺，轻机枪10挺，长短枪130多支，弹药万余发。此次伏击战，正如战后徐向前向八路军总部报告的那样：

（一）敌森本及山田两汽车队及另一部共汽车180辆，每辆有押车兵5人，被我截击于响堂铺东西段，由8时30分接战，至10时30分，战斗全部解决。

（二）嗣敌由城黎增援600余人，附骑、炮兵，占领长凝附近高地，与第七七二团接战。涉县增援400余人，与第七六九团接战于椿树岭、河头村。14时，敌由东飞来重轰炸机12架助战，至18时，长凝之敌被我击退至东阳关两公里处，椿树岭之敌被我击退于河南店。黄昏后我撤至马家峪，莱家山、马家拐、小曲峻、佛堂沟地域，待机伏击或袭击向北活动之敌。

响堂铺伏击战的胜利，其规模同徐向前在鄂豫皖、川陕根据地指挥的诸多战役是不能相比的。但是，这在抗日战争初期的游击战中，可以算是一个不小的胜利了。这一胜利，是坚决执行毛泽东关于"分兵以发动群众，集中以应付敌人"和"基本的是游击战，但不放松有利条件下的运动战"的战略方针，在由国内革命战争时期的正规战向抗日游击战争转变中，取得的重大胜利。这一胜利，从战略上讲，不仅沉重地打击了日军的嚣张气焰和狂妄野心，也使我党我军在群众中威信更加提高，给开辟晋东抗日根据地增强了信心，而且也策应了晋西和晋西北的作战，牵制了大量敌人，有力地配合了黄河两岸的防御作战，对开辟晋东南根据地有着重要意义。从战术指挥上讲，可贵的是在战场情况发生突变的紧急关头，特别是在侧后突然出现不明情况，怀疑是敌人侧后包围时，徐向前能沉着作出正确判断，而未放弃这次战斗的有利战机，对顺利实现这次伏击作战意图，起到了至关重要的作用。战后，当徐向前见到刘伯承时，刘伯承向徐向前道贺说："向前还是当年之勇，沉着果断！"