结果就是冈崎支队竟然鬼使神差的没遇到什么阻碍就深入到根据地的腹地，跑到了八路军设有兵工厂的黄崖洞，啥也没找到就放了一把火。而这时，八路军开始从四面八方围拢过来。冈崎带着部队拼命向外逃，在跑到关家垴时，八路军的包围圈越收越紧。冈崎看到没法突出包围，而关家垴地形不错，就决定在此坚守，同时向在外围的日军呼叫增援解围。
战斗经过在我军战史上，此战叫关家垴战役或关家垴歼灭战，而八路军此战的对手冈崎大队更准确一点应该称为冈崎支队。冈崎谦受中佐毕业于日本陆军士官学校第37期，在出任这支部队指挥官前，为日军第三十七师团226联队副联队长。冈崎支队的主力是由驻山西运城的日军第37师团，独立第九混成旅团及独立步兵第12大队各抽出一个中队，并配属一个山炮炮兵小队组成（装备炮三门，炮弹300发），总兵力540余人。
由于不是一个建制大队，按照日军的通常叫法，这种临时编组的部队称为支队。关家垴八路军在此战中，集中了九个团，拥有绝对兵力优势。由八路军副总指挥彭德怀督战并指挥总部炮兵团山炮连，129师师长刘伯承指挥385旅及新十旅，386旅旅长陈赓指挥386旅及决死一纵队。1940年10月6日，日军抽调战斗骨干并配属工兵，炮兵，辎重兵组成的冈崎支队从晋南闻喜出发，9日抵达南关镇，11日开始沿沁县--西营--王家峪路线东进，20日到西井，25日到达辽县，武乡县，黎城县交界地区的黄崖洞，沿桐裕河谷进入黄崖洞。
八路军最大的水腰兵工厂就设在附近，具有月产四百多支步枪和生产大量子弹手榴弹的能力。当时正在黎城指挥部的彭德怀听到山口丢失，日军开始进入黄崖洞后，异常震怒，要求严查擅自撤离者的责任，同时命令386旅的772团和16团赶到黄崖洞，打退日军进攻。而冈崎支队并不知道黄崖洞有八路军的兵工厂，对当地地形不熟悉，又不敢离开地图标记的路线太远，因此日军没有找到兵工厂。
随后日军退出河谷（黄崖洞只有一条通道），在抗日军民的袭扰下于28日撤到武乡县蟠龙镇关家垴附近，准备夺道武乡退回沁县。而此时，刚刚打完榆（社）辽（县）战役的129师部队正好在蟠龙镇附近休整。29日下午，彭德怀赶到蟠龙镇石门村坐镇指挥，决定于30日凌晨4时开始向日军发起攻击。而在晚23时获知冈崎支队占领了关家垴，此时距离总攻发起时间不足五个小时。
柳树垴日军在占领关家垴的同时也占领了旁边的柳树垴，并连夜构筑工事，仅用四个小时就构筑完成了较为完备的野战工事，两地之间挖出坑道相连，并拆下老百姓的门板房梁搭上构成掩蔽部。两个阵地构成犄角，火力相互支援。此战日军各级指挥官及士兵，表现出了丰富的作战经验和良好的军事素质。386旅772团和总部特务团为一路，从关家垴东北，东南侧进攻；385旅769团为一路，从关家垴的西北侧进攻；决死一纵队的25和28两个团从南向北推进，在关家垴的南侧对日军左翼进行牵制。
385旅和新编第十旅在外围阻击日军援军（后386旅又投入一个团参与阻击）。直接投入进攻的兵力约四千人，大部分兵力是用来打援的。由于日军据守的关家垴阵地地势险要，仅南边坡度较缓，山顶是一块平地，利于日军展开兵力防守，易守难攻。虽然我军拥有绝对优势兵力，但是由于受到地形限制，难以同时展开攻击，只能分批逐次投入进攻，打成了兵家大忌的添油战法。
经过两昼夜顽强战斗，八路军虽然攻入日军主阵地，消灭了四百多名日军，打死了冈崎中佐及十余名日军各级军官，俘虏了两名负伤日军，但是，仍然有几十名日军负隅顽抗。这时候，大批日军增援部队已经距关家垴不到四公里。八路军不得已撤出战场，未能完成对冈崎支队的全歼。战役检讨此战，八路军在兵力处于绝对优势的情况下围攻五百多日军，结果是付出了两千多伤亡（战报说是六百多伤亡，但是有一说是589人牺牲1570余人负伤。
更有的说是付出了两千名八路军的牺牲），经过两天战斗，竟然未能全歼日军。为我军一个不成功战例。围绕此战后世争论了几十年。争论一，此战该不该打。记得看《彭德怀自述》里谈到此战，彭总的意思是，敌人仅仅五百人的一支队伍，竟敢孤军深入我根据地中心，如果任由其大摇大摆的出去，必将助长了敌人的气焰。因此下决心打这一仗。
从结果看，并未能全部达到战前设想。虽然经此一战后直到抗战胜利，日军再也没有敢派小部队轻兵冒进深入根据地，但是战后，日军却派一个大队进驻根据地中心的沁源县城达两年之久，而八路军主力却未能再次进攻，最后是采取坚壁清野长期围困才把日军给逼走。争论二，面对不利于我军的地形，是否该采取强攻。从照片可以看出，关家垴地形险要，易守难攻。
