邓华果断指出，这股敌人对我军的行踪还不了解，可以趁机等在这里打他们一个伏击。
地形对我军有利。沙峪村东，有条通向怀柔县城的必经之路。路两旁是一米多高的土坡，坡北是土山，坡南是怀沙河。伏击日寇的战场就选在沙峪村的东山嘴。
纵队参谋长李钟奇周密部署兵力：河套南山、北山各埋伏一个营的兵力，在日军来向正面又部署了一个重机枪连。任务是等敌人行进到150米处，两面埋伏的部队同时开火，把敌人压在河套沟内。在敌人退路的左右两侧山上也分别埋下伏兵，待敌人进入伏击圈后，互相配合，缩紧入口，切断退路，阻击增援之敌。
（3）惨烈战斗歼敌120余人
6月11日上午11时，只见远处河边的小路上，一队日军由东向西疾速而来。河边小路越来越窄，日军不得不变成一路纵队。
当日军完全进入伏击圈时，第四纵队指挥员一声令下，隐蔽在山上的八路军战士立刻向敌人猛烈开火，机枪、步枪、手榴弹霎时间响成一片。日军还没来得及摘下枪，有的就被击毙，有的被炸伤，走在前边的指挥官还没明白怎么回事就完蛋了。
但在一阵慌乱之后，训练有素的日本关东军便开始还击。在机枪的掩护下，埋伏在两侧山上的八路军战士向关东军冲杀过去，短兵相接，展开惨烈的肉搏战。有的战士直到牺牲时，双手还紧紧掐着敌人的喉咙。三名战士负了重伤后，拉响手榴弹与敌人同归于尽。在沙峪河套边、山坡上、谷地里，关东军丢盔弃甲，尸横遍野。
关东军是日军侵华的精锐部队，有相当强的战斗力。一部分敌人利用路旁沟坎做掩护，负隅顽抗。八路军两次冲锋均未成功。
这时，邓华等人认真分析了战场情况，发现这些顽固之敌多是有经验的三四十岁的“胡子兵”，于是邓华命令部队改变打法，集中特等射手，“胡子兵”露头一个打一个。
战斗持续到下午3点多，五六十个残余之敌仍不投降。邓华命令31大队队长季光顺组织一个突击队，隐蔽前进，绕到敌人的背后，用手榴弹消灭敌人的重机枪。季光顺组织一个排的战士，每人带上10颗手榴弹，爬向前沿阵地。在青纱帐的掩护下，战士们很快接近敌人。“打！”指挥员一声呐喊，手榴弹在敌群里开了花。
下午4点多，战斗结束了，八路军取得了最后胜利。这次伏击战，歼灭日军一个中队，包括中队长染谷少佐在内的120余人，只有武田等少数几个敌兵逃窜到怀柔县城日军驻地；缴获步枪80多支、轻机枪3挺、掷弹筒3个。不过，八路军也有较大伤亡，大队党总支书记郑良武等70多人英勇捐躯，参谋长李钟奇负重伤。
（4）队伍开拔村民挥泪相送
在这场战斗中，群众积极支持八路军痛歼日本侵略者。
此前，当地的老百姓并不了解八路军，这是他们第一次见到八路军。但老百姓们都没躲，他们听说八路军特别好，所以对部队的到来很欢迎，村民们纷纷腾房扫院、点火烧水，又拿出自家的核桃、栗子、红枣、花生招待战士。
在战斗打响前，村民们被八路军转移到了沙峪北沟。战斗打响后，一些村民主动跑前跑后为战士带路指路，烧水送茶。有的摘下自家门板，拿上捆柴用的绳子，做成简易担架，三四人一组，冒着枪林弹雨，从战场上抢救伤员。
沙峪村民救护伤员
部分负伤的战士被送到北沟村。村民曹进祥一家主动把最大的一间屋子腾出来，接待八路军伤员，受伤的战士躺了一炕。他们不厌其烦地为重伤员喂水喂饭，端屎端尿，精心照料，直到部队将伤员转移。临别时，伤员非常感激，热泪盈眶。
村民杨广瑞和邻居孙宝岱，一起救下了在战斗中负重伤的参谋长李钟奇。
根据杨广瑞的回忆，当天下午3点左右，已经转移的他不放心家里要下崽的老母猪，听到枪声渐渐稀疏，就和邻居孙宝岱小心翼翼地回到了村里。
回到家没多久，就进来两个满身是血的八路军战士，他们来找门板当担架，还请杨广瑞和孙宝岱帮忙去救伤员。杨广瑞和孙宝岱二话没说，直奔战地，用简易担架抬起伤员就走，一直走了八九个小时，将伤员交由部队安顿好。
直到那时，杨广瑞才知道，这个伤员就是参谋长李钟奇。被送到军区医院的李钟奇康复后归队，战友们称他为“打不死的参谋长”。
战斗结束后，乡亲们簇拥着胜利归来的英雄战士，听官兵们讲抗日救国的道理。
当队伍开拔继续向冀东挺进时，村里的男女老少纷纷走出家门，在路边、村口依依不舍地挥泪送别八路军。
沙峪战斗保证了四纵队主力顺利通过怀柔地区到达冀东。
1938年冀东人民抗日大暴动形势要图
沙峪战斗对平北地区，特别是对怀柔影响很大。它是共产党领导军民在怀柔境内抗击日本侵略者打响的第一枪，产生了十分深远的政治、军事影响。
此战使处在日本侵略者黑暗统治下的怀柔人民看到了光明，看到了八路军是真诚抗日的队伍，认识到共产党是人民抗日斗争的组织者和领导者，从而看到了民族的前途和国家的希望。
1987年，怀柔县委、县政府为纪念在战斗中牺牲的革命烈士，修建了沙峪抗日纪念碑。如今，当年八路军与日军激战的地方，已是一派清新、明媚的田园风光。
（5）建立红色政权扼守交通要道
沙峪战斗之后，四纵队在东进途中，又先后打下了八道河、琉璃庙、汤河口等敌伪据点。为了扼守怀柔地区这条连接平西与冀东的交通要道，四纵队把挺进大队留在这里，和这时进入怀柔境内由四纵政治部主任伍晋南率领的36大队、骑兵大队一起，以秋场、头道梁、大地为中心开展游击活动，宣传抗日，建立政权，组织救国会。
1938年7月初，滦昌怀联合县在头道梁村创建，并组建了滦昌怀县工委。这是怀柔地区第一个县级抗日政权。
中共滦昌怀联合县委县政府原址