王耀武沒有退路，張古山一仗對他來說，意味着只許成功不許失敗。而張古山的地勢，明擺着對在山上憑險據守的日軍極爲有利，誰都知道，在這樣的山勢前，靠仰攻拿下山頭是要付出極大傷亡代價的苦差使。由誰來擔綱主攻?在師部召集旅團長們討論作戰方案的時候，王耀武意味深長的目光落在剛剛佩上少將將星不到一個月的張靈甫身上。
張靈甫在1938年9月升上了第153旅少將旅長，這是他在南京戰役後短短半年期間的二度晉升，張靈甫的官階，這時已經越過早於他跟隨王耀武的邱維達，與周志道平起平坐，再次證明王耀武對張靈甫前一時期戰功的欣賞和肯定。51師副師長李天霞則因此被免去原先兼任的第153旅旅長一職。張靈甫升任旅長，留下的305團團長的空缺由唐生海填補，306團團長在這年的1月已經由常孝德升任。這是一個妥善的人事調動，看得出王耀武對張靈甫的特別關照。唐生海是王耀武黃埔三期的同學，雖然屆期比張靈甫高，但是他在抗戰以前長期在中央軍校洛陽分校擔任教官，經歷以紙上談兵居多，讓他擔任團長一職，有助於培養他的實戰經驗需要更正的是，在一些涉及萬家嶺戰役的資料、作品中，不少編者和作者都將張靈甫與唐生海的職務倒錯，稱第153旅旅長爲唐生海，而誤認張靈甫仍爲第305團團長。
據臺灣“史政局”編撰的張靈甫傳略，他於1938年3月任153旅副旅長，同年9月已升任旅長，而唐生海纔是305團團長，兩人的職務在一些較原始的戰史資料，如吳逸志於1940年所編《薛伯陵將軍指揮之—德安萬家嶺大捷回憶》及74軍參戰人員回憶文章中均有明確記錄。 。而常孝德則不僅是張靈甫的黃埔四期同學，本身在原305團也給張靈甫當過將近一年的副手。因此張靈甫指揮這兩個團長完全可以得心應手。
對於王耀武的周到，張靈甫也是心領神會的，他是個知恩圖報的人，打日本沒什麼可挑精揀肥的，張靈甫向來很看不起一打惡仗就耍滑頭做縮頭烏龜的傢伙，認爲這種人缺乏武德，不配稱爲軍人，因而他打起仗來，越是艱險的戰鬥，反而越激發他與強敵較量的旺盛的求勝慾望，萬家嶺戰役，王耀武在關鍵的時刻想要張靈甫出馬，也是出於對他慣打硬仗惡仗的能力和鬥志的信任。擔綱奪取張古山的重任，於公於私，張靈甫都義不容辭，再說他這才當上153旅的旅長，也正想再立新功，爲自己領上的將星增光添色。
“師長，張古山就交給我吧!”張靈甫主動請纓，語氣自信。
他的確是有備而來。
張古山山勢陡峭易守難攻，沒有足夠的重炮配合，僅憑輕武器攻堅傷亡難免，這些不利因素大家都討論過了，但是，辦法總是人想出來的。張靈甫想的是，如何利用地勢，另闢蹊徑，攻其不備。事先他對着地圖將張古山的地形琢磨了一番，又帶着團長們在附近作實地勘查，發現此山南陡北緩，仔細觀察之後，張靈甫分析，日軍的不備之處當在後山絕壁，於是心生一計。
張靈甫熟讀古書，說話時常引經據典，他對王耀武說：“三國時蜀將姜維據守劍閣，拒十萬魏兵於險關之外，魏將鄧艾遂以精兵偷渡陰平翻越摩天嶺，下江油直取成都而一舉滅蜀，此謂出敵之不意也。我們今天可仿效此戰法，以智取代替強攻。”
接着，他向王耀武扼要說明自己的打法:“爲避免重大傷亡，不宜對各山頭直接正面仰攻硬衝。正面應僅取佯攻之態，同時選出精兵編成突擊隊，繞道後山，無人煙處料敵疏於防備，突擊隊攀巖附葛摸到山頂進行背後偷襲，成功後，正面部隊即轉入真正攻勢，前後夾擊，當收事半功倍之效。唯萬家嶺戰場日軍具有絕對空優和炸射頻率，攻山擬夜間進行。”
張靈甫一席話頭頭是道，聽得王耀武頻頻點頭。王耀武對這套出奇制勝的獻議極爲讚賞，153旅有305和306兩個團，他馬上爲張靈甫再另配151旅的302團加強攻擊力。也就是說，王耀武把大半個師都交給了張靈甫，讓他一共指揮三個團主攻張古山，周志道率151旅其餘部隊作預備隊。
西沉的太陽落下張古山頂，當最後一道晚霞消失在天邊，起伏的羣山丘陵無聲地隱沒在悄然涌起的暮色之中，秋天山間的晚風，隱約飄來秋蟬的悲鳴。
大戰前異樣的寧靜。
10月7日夜20時許，第51師進入了預定的攻擊位置。
依照張靈甫的事先指令，擔任主攻的305團已經挑出一批精兵組成了突擊隊。一小隊人馬藉着暮色的隱蔽，朝日軍陣地的後山方向悄然行進，他們沿着後山絕壁，在黑暗中披荊斬棘，奮力向上攀登。
前面響起了槍聲，這是正面的部隊在突擊長嶺北部的高地，張靈甫意欲先奪取這個由日軍五個中隊據守的高地作爲支撐點，進而向張古山衝頂。日軍通常不作夜戰，而國軍膽敢在夜裏主動挑戰日軍的更是罕見，因此高地上的日軍不像白天那樣警覺，晚飯過後，除留下少數警戒人員外，其餘準備輪換歇息。張靈甫指揮153旅主力突如其來的進攻，把日軍打得措手不及，月黑風高的山地，山下的中國軍隊人影都看不清，鬼子們一時間亂作一團，等他們從混亂中反應過來躲進工事裏放起槍來，長嶺北部的山頭已經遍佈衝上來的大批中國士兵。這正是張靈甫所要的近距離對戰效果，雖然日軍單兵作戰的素養遠高於一般中國的士兵，但是在日軍火力不佔優勢的情況下，輕武器對輕武器，張靈甫對自己訓練出來的士兵也具有相當的自信，何況他在人數上佔有絕對的優勢。倉促間，高地上六百餘名日本守軍依然進行了頑強的抵抗，但終究寡不敵衆，被迅速殲滅。
拿下了高地，張古山幾乎觸手可及，張靈甫命第305團連續作戰，拂曉出擊張古山。張古山上的日本守軍約有八百人，長嶺北高地的戰鬥有足夠的時間給他們敲響了警鐘，日軍不敢懈怠。305團參加佯攻的士兵們開始吶喊着向張古山做勢進攻，嚴陣以待的日軍不知是計，見對方來攻，果然注意力都被吸引到了正面，正乒乓乓乓打得起勁，猛然間聽得背後槍聲大作，305團的突擊隊從後山登頂成功，張靈甫的這把尖刀，適時插入山上日軍的後背，突擊隊員們與守軍拼上了刺刀，正面進攻的部隊趁山上日軍自顧不暇之際，一口氣衝上了張古山頂。日軍腹背受敵，陣地全面崩潰，張靈甫的兩面夾攻戰術如願奏效，約八百名鬼子死的死逃的逃。
一夜之間，張靈甫指揮153旅攻佔了最難克服的萬家嶺戰場制高點，王耀武在師部徹夜守着電話，當得知張靈甫攻佔張古山後，他長長舒了一口氣。在一線作抵近指揮的張靈甫仍不敢有絲毫放鬆，他很清楚，夜間偷襲成功，只能算是揚長避短獲得的暫時性勝利，更艱鉅的任務還在後頭。那時他的士兵手裏的武器連“中正式”步槍都很少，絕大多數還是“漢陽造”的笨重雙筒步槍，輕重機槍更屬寶貝，每個團只有兩三挺重機槍，各團的一個迫擊炮排還被王耀武抽調到師裏集中使用參見葉方華《贛北南潯線戰役片段》(《原國民黨將領口述抗戰回憶錄 我所親歷記的武漢會戰》中國文史出版社 2005年。作者時任74軍58師參謀)。而日軍陸空火炮的絕對威力，張靈甫在上海、南京、豫東早已領教過厲害，所以白天能不能頂得住敵人優勢火力的衝擊，老實說，他心裏並沒有十分的把握。張古山是松浦師團最後的退路，日軍一定不會善罷甘休，天亮之後必將會有更嚴酷的惡戰，他告誡部下枕戈以待。
果然，第二天清晨天剛亮，二十餘架日軍轟炸機就鑽出厚厚的雲層，飛臨張古山上空，飛機的呼嘯混和着炸彈劃過空氣發出的淒厲嘯音，震耳欲聾，頃刻間，張古山上炸翻了天，從遠處望去，張古山籠罩在濃煙火海之中，簡直是一座熊熊燃燒的火山。由於中國軍隊幾乎沒有防空能力，日機異常猖獗，肆無忌憚地作低空俯衝，對準山頭轟炸掃射，而不必顧慮被對方防空火炮擊落的危險，陣地上的人連飛機身上塗的猩紅的膏藥旗也肉眼可見。在敵機劇烈的空襲下，305團傷亡極其慘重。張靈甫蹲在掩蔽工事裏，炸起的碎石浮土幾乎埋了他半截身軀，頭上的鋼盔不時被爆炸的氣浪掀動着，透過嗆人的硝煙，他眼睜睜看着自己的許多官兵在陣地上，還沒出戰就葬身於炸彈火海之中，而自己一方卻得不到有效的炮火支援對日軍進行壓制，作爲一線指揮官，張靈甫心情酸苦雜陳。
上午10點，空襲方停，急於奪回陣地的第106師團出動二千餘人向張古山發起了輪番衝鋒。張靈甫一身塵土跑上305團防禦陣地親自督戰。狗急跳牆的日軍頂着山上灑下的彈雨，不顧一切地彎着腰向山上猛衝，直逼305團的陣地。當部分日軍最終衝上山頂，305團殘餘的官兵在旅長張靈甫和團長唐生海的帶領下，上剌刀與敵人展開白刃格殺，拼了性命將日軍打下山去。黃昏時分，106師團再度對張古山發動強大攻勢，炮火密集地傾瀉到張古山上。經過前一夜和當日的激戰，305團已經傷亡大半，精疲力竭了，張靈甫也不能將部隊硬挺在目標明顯的山上白白挨炸，爲避免更大的損失，以利稍後再戰，他不得不將305團殘部撤下張古山。攻擊中日軍也丟下至少八百具屍體。
陣地的丟失意味着前功盡棄，張靈甫並不認輸，這一仗，他和王耀武都輸不起，若松浦師團從他這裏打開缺口跑掉，薛嶽的整個戰役計劃將落空，這將是他軍旅生涯的極大恥辱。入夜，張靈甫再次組織起四百餘名精兵進行頑強反擊，於拂曉奪回了陣地。張古山陣地就這樣在激戰中幾經易手，白天日軍憑藉空中優勢和重炮攻下陣地，晚上張靈甫再指揮部隊以夜戰奪回，雙方都打得頭破血流，氣喘吁吁。張靈甫不愧爲一員善打惡仗的悍將，在他的凌厲攻勢下，日軍最終再次被趕下了張古山 。10月10日下午，又一股窮途末路的日軍千餘人竄到張古山、長嶺一帶，再次在飛機和重炮的掩護下作孤注一擲的進攻，試圖衝破74軍的陣地突圍逃命，激戰中，305團李石見營長重傷，該營陣地一度出現動搖，王耀武的師指揮部已經準備開始後撤了，張靈甫不信邪，他立即趕往李營陣地，親自整理殘部，將勤雜人員全部編入戰鬥隊，終於頂住敵人的進攻勢頭，穩住了陣地。在指揮部隊繼續死守張古山的同時，張靈甫命令302團與306團一部配合58師向嗶嘰街發動兩路夾擊，經過五個小時的激戰，將嗶嘰街的五百餘名日軍也悉數消滅。兩軍交戰勇者勝，張靈甫在74軍人送外號“猛張飛”，張飛打仗玩起命來，對任何對手都是一場恐怖的災難。五天裏，張古山上直殺得屍山血海，任憑敵軍再怎樣狂轟濫炸，直至12日戰鬥結束，日軍沒能從張古山跑出一兵一卒。
張古山成了松浦的噩夢。
戰至第五天，第106師團的氣數，也到頭了。
在張靈甫率部血戰張古山的時候，十餘萬中國大軍對包圍圈中的松浦師團正全線出擊，在中國軍隊的強大攻勢之下，松浦師團被打得丟盔棄甲，10月9日入夜，106師團已接近全面崩潰，國軍開始掃蕩戰場上四散奔突的日軍，第4軍的一支部隊甚至衝到了離106師團司令部僅數百公尺遠的地方，如果不是情報不明，加上黑夜中目標不清，松浦的司令部極有可能被端。據後來被俘的日軍說，當時淞浦已經在準備焚燒軍旗，緊張得快要切腹自殺了。岡村寧次爲了拯救106師團的殘兵敗將，破例冒險出動飛機夜航，用空投炸彈炸開一條血路，藉着照明彈的指引，松浦才得以率少量殘部逃出包圍圈。
10月10日，國軍圍攻勝利已成定局，蔣介石親自起草嘉獎電給薛嶽各部：“查此次萬家嶺之役，各軍大舉反攻，殲敵逾萬，足徵各級指揮官指導有方，全體將士忠勇奮鬥，曷勝嘉慰，仍盼再接再歷以竟全功……”《蔣介石致薛嶽等密電稿》(1938年10月10日)(中國第二歷史檔案館編《抗日戰爭正面戰場》江蘇古籍出版社1987年)。
10日之後，一些地方的戰鬥仍在激烈持續當中，根據陳誠10月15日致蔣介石的密電，74軍的張古山、長嶺陣地就戰至12日後方停，由於日本援軍紛至，戰場上還是有部分潰散的第106師團殘兵未及掃蕩而得以脫逃，對此，陳誠在電報中遺憾地表示：“此次敵迂迴作戰之企圖雖遭挫折，但我集力圍攻未將該敵悉數殲滅，至爲痛惜。”《陳誠致蔣介石密電》(1938年10月15日)(中國第二歷史檔案館編《抗日戰爭正面戰場》江蘇古籍出版社1987年)
不過，整個106師團在萬家嶺會戰中被中國軍隊完全打垮了，還搭上了前來解圍的第101師團的第149聯隊，岡村寧次在他的回憶錄裏也承認，該師團遭受到了“毀滅性打擊”。戰後，國軍第139師師長唐永良在率部遊擊敵後時路過萬家嶺，他在《我親眼看到的萬家嶺戰場殘景》一文中，描寫了他目睹的萬家嶺戰場一年之後的悽慘情景：“圍繞着雷鳴鼓劉村都是敵人的墳墓，人骨、馬骨……此外沿山麓、沿道路、沿溪流，無處無日兵骸骨，若說五步一屍、十步一馬，並不算過分，統計雷鳴鼓劉村、嗶嘰街、萬家嶺一帶戰場，日兵骸骨至少在六千具以上，馬骨至少在千具以上。”唐永良《我親眼看到的萬家嶺戰場殘景》(全國政協文史資料研究委員會編《原國民黨將領抗日戰爭親歷記 武漢會戰》中國文史出版社 1989年)
萬家嶺戰役，是抗日戰爭初期國民黨正面戰場上繼臺兒莊戰役勝利後的又一次重大勝利，對挫敗日軍突破南潯線的企圖，延緩日軍對南昌的進攻和保衛湘鄂贛邊境，起到了十分積極的作用。
萬家嶺大捷的消息傳來，全國軍民精神也爲之一振。儘管武漢已經處於風雨飄搖之中，政府機關正在撤離，剛剛度過一個苦澀的“雙十節”的武漢羣衆依然興奮不已，爆竹聲晝夜不絕於耳，歡慶勝利。
張靈甫不負衆望，在萬家嶺戰役中爲51師立下了頭功，榮獲雲麾勳章。而51師在此役中也付出了極高的代價，損失最大的是張靈甫的老部隊305團，團長唐生海、營長鬍景瑗和李石見都身負重傷，接替唐生海任305團代團長的中校團附於清祥及營長王之幹犧牲，另外，302團團長林秀峯和營長李文光、306團團長常孝德和營長尹本提、王夢庚等指揮官也在激戰中負傷，而投入支援的151旅301團，團長張漢鐸和營長盧醒負傷，營長陳銘犧牲。51師在張古山血戰中，四個團一共傷亡五名團長(包括代團長)、七名營長和兩千餘名忠勇官兵。軍官頻繁的高傷亡率，說明74軍的軍官的確具有與衆不同的忘我犧牲精神，這種精神支撐着74軍的榮譽感和意志，在以後的抗戰歲月中，一次又一次打出王牌軍的軍威。
