26日拂晓，1旅接到通报，敌40师已逼近高山铺。旅长杨俊生当机立断，让战士将背包、炊具等非战斗物资放在路边，留下伤员看管，部队轻装跑步前进。

8时30分，1旅2团1营占领蚂蚁山西南无名高地，刚部署就绪，敌前卫部队即到达，并对无名高地展开抢夺，被1营打退。1团赶到时，敌先头部队已进至洪武垴西山腰，1团5连先敌抢占山顶，将敌击退。1团7连的一个排也随即占领界岭制高点。

洪武垴和界岭是敌通往广济咽喉要道上的制高点，也是我必须坚守的堵击阵地，敌我争夺十分激烈。敌在飞机、大炮掩护下，以整连整营兵力，连续向1团5连占领的洪武垴阵地猛攻。5连打退敌多次冲锋，因自身伤亡过大，而此时团主力尚未赶到，阵地又被敌人夺去。11时许，第4连赶到，在第7连的火力支援下，夺回了洪武垴主阵地。午后，1旅后续部队陆续赶到，不断加入战斗，战士们像钉子一样钉在敌东进的各山头要点阵地，把敌人死死关在清水河峡谷之内。

当天，中原独立旅和1纵59团亦粉碎了敌夺占茅庵山、大寨山之企图。6纵第49、第54团各一部组成的先遣队，在17旅参谋长宗书阁的指挥下尾敌前进，于当日黄昏占领了马奇山、李家寨山，适时堵住了敌人的退路，6纵主力正冒雨兼程前进。1纵第2、第19旅也正连夜向高阳山、父子坳方向急进。

26日夜，1纵2旅(欠4团)、19旅相继赶到伏击位置，协同1旅由东面、北面的洪武垴、界岭、蚂蚁山、子女山等阵地，中原独立旅由南面的茅庵山、大寨山等阵地，从三面对敌形成包围。口袋已经形成，就等6纵主力赶到，从背后扎紧口袋了。而此时，6纵还正在赶往高山铺的路上。

刘、邓首长原定总攻时间是27日上午11时30分。但到了上午9时，1纵司令员杨勇接到1旅杨俊生旅长的电话：“敌人溃退了，我已命令2团出击。”杨勇拿起望远镜，只见敌人在2团的攻击下惊恐万状，队形混乱，纷纷向后溃退，整40师已呈败象，杨勇决定趁敌混乱，立即发起总攻。1纵各旅和中原独立旅从三面，居高临下如猛虎下山，冲入敌战斗队形。

在敌后“扎口袋”的6纵先遣队——49团主力和54团2营立刻感到了沉重的压力。敌潮水般向西撤退，涌向先遣队坚守的马奇山和李家寨山阵地，倾其全力夺路逃命。先遣队奋起抗击，部队伤亡很大，战士们的弹药也快打光了。17旅参谋长宗书阁忧心如焚，此时纵队主力还是未赶到。54团2营的李家寨山阵地被敌人攻占，宗书阁刚要让49团增援，望远镜里突然出现一支部队冲上山头。“18旅终于到了！”宗书阁的眼睛都湿润了，他立即命令部队全线出击。

我军以排山倒海之势扑向敌人，敌拥挤在10里长谷，东窜西逃，田埂上、山脚下，凡是有空隙的地方都拥满了四散逃奔的溃兵。人、马、炮、车挤在一堆，乱冲乱撞，乱喊乱叫。许多人摔倒不及爬起便被活活踩死。

战斗至午后胜利结束，共歼敌军12660人，其中俘敌9560人，并缴获大量的作战物资。当我军押送俘虏撤离战场时，蒋介石还从武汉派来飞机，在高山铺上空投下大批馒头、烧饼，支援其“精锐”之师“战斗”。战士们见敌机空投差不多了，无数挺机枪对空开火，一架飞机中弹起火，撞到山坡上摔得粉碎。在山野里捡大饼、馒头的战士们一片欢呼！

高山铺战役是我军进入大别山后取得的第一个重大胜利，对大别山根据地的创立具有重要意义。10月29日，毛泽东亲自拟稿，以中央名义致电刘、邓，庆祝在高山铺地区歼灭敌40师及82旅之大胜利。