9月20日下午，隆隆的炮声拉开了汀泗镇战役的序幕。
汀泗镇是咸宁的南大门，是通往武昌的必经之道。汀泗镇卡在岳阳通往武昌的官道上，是正在修建中的粤汉铁路所经过的一个小镇，以汀泗河为界，河西属蒲圻，河东属咸宁。镇东有一片连绵起伏的山岗，塔脑山为其制高点。适逢连日大雨。全镇西、北两面为洪水包围，为守军增添了一道天然屏障，欲通过该镇直下武昌，攻击方只能从东、南两面攻击高地，从而撬开北进的大门。
守卫镇东高地群的是中华民国第一师第四团，其前身即第九镇第三十四标。黄兴抵达武昌后，接管了武昌义军的指挥权。黄兴的到来一定程度上改变了革命党在武昌群龙无首，互不统属的局面，至少林述庆部表示完全接受黄兴的指挥。
于是，黄兴将第九镇改编为民国第一师，任命林述庆为师长，辖第一、第二两旅共四个步兵团及一个炮兵团。林述庆率第九镇前出蒲圻、咸宁一线求战的部署也得到了黄兴的认可。黄兴另将黎元洪第二十一协起义部队改编为第二师，自任师长，以黎元洪为副师长，辖第三第四两旅四团，但缺编甚大，于是大力招募两湖会党群众以充实第二师，该师尚在编组整顿中，充任武汉三镇之守卫任务。
上海通电一发，黄兴及宋教仁、谭人凤判断龙谦不再和谈了，战争难以避免。为了坚守汀泗镇阵地，挫败蒙山军可能的进攻，黄兴从其他部队，特别是原黎元洪部抽调了大批武器，除了炮兵外，更是将机关枪全部集中于第一师，林述庆当然将其补充至自己的亲信部队第二旅（原十七协），使得第二旅的实力得到很大加强。
民国第一师四团担负汀泗镇之正面守备。团指挥所设在塔脑山，三个营分别占据了镇东各高地，在两军对峙的日子里，四团在林述庆的督率下狠命地构筑工事。囤积弹药。第二旅的另一个团，即三团部署在四团后面的镇子里，准备随时增援。
林述庆在视察阵地后向黄兴报告，“天时地利均在我方，决督率所部，挫败蒙山军凶锋。”
攻击方为蒙山军第一师第三旅，展开了两个团，七团从南面攻击，九团从东面攻击。第一师炮兵团在七团以南占领阵地，集中了24门大炮。其中75的山野炮各6门。
憋足了劲的炮兵在半个小时内将六百余发炮弹倾泻到镇东高地上，三点二十五分，七团与九团同时向高地发起了攻击。
受上海建国的鼓舞和孙大总统亲自表彰的激励，林述庆决心在蒲圻咸宁一线击败蒙山军南方军部队。既然已经前出至此，就没有不打这一仗的道理。林述庆深知汀泗镇的重要。受斧头湖、鲁湖、梁子湖的限制，南军北进，必须从几大湖泊中间穿过，汀泗镇就卡在咽喉上。此地若失，武昌将敞开大门，直接受到南军的攻击了。这也是林述庆坚持将战线推进至蒲圻咸宁的缘故。
对面的蒙山军已经来了许多天了，一直在晃来晃去的来回调动。并未发起真正的攻击。这给了林述庆以信心，他们也不愿意打！但自昨日起，越来越多的迹象表明，南军要发起攻击了！
林述庆亲自赶至四团督战，决心在这里挫败自内战打响以来一路顺风顺水的蒙山军。
林述庆对部队做了动员，“满清鞑子已经退位。中华民国已经成立了！黄兴元帅已经抵达武昌！打赢蒙山军，大家都是开国元勋。为了给赵伯先等先烈报仇雪恨，为了中华民国，我们决不后退！”
四团是林述庆的老部队，他相信革命党成员众多的第四团会在汀泗之战中起到中流砥柱的作用。
20日下午展开的战斗一开始就非常激烈。蒙山军第三旅对镇东高地连续发起了两次冲锋都被打了下来。因为地形限制了兵力的展开及步兵火力的发扬。因为没脚的泥泞限制了进攻方的行动，更因为第三旅自战争爆发后基本没有打过什么硬仗，这支战前大量补充了广东巡防营士卒的部队没有打出应有的气势，甫遇死伤便退了下来。
两次不成样子的攻击失利令督战的封国柱大怒。立命将九团六连长及七团二营长就地枪决。理由是临阵退却。提升九团六连一个死战不退投弹不止班长为连长，表现相对出色七团二营五连连长为营长，因为五连一直钉在半山坡上，没有听从营长的命令跟其他两个连退下来。
这一招震撼了三旅。尤其是被枪决的七团二营长，是封师长的老部下，蒙山军勤王北上后封国柱留守根据地时亲手招的兵，该营长在广州成亲时封国柱亲自主持了婚礼并掏了一个大红包。现在说毙就给毙了！
“谁把老子的话当放屁，老子就把他的脑袋当球踢！继续给老子打！团长亲自带队给老子冲，天黑前打不下塔脑山，一律撤职，下去当伙夫！”封国柱红着眼朝军官们吼道。
进攻在五点恢复，七团和九团在封国柱的严令下拼了命，由军法处组织了督战队，凡是擅自退却的官兵，就地枪决！七团和九团的团级军官们亲自带队攻击，不计伤亡地猛冲，前进一段，就地掘壕巩固，然后再往上打。蒙山军这一玩命，让守军受不了了。当跟进的迫击炮不断摧毁守军本来就稀少的重机枪火力点后，守军开始崩溃。战至傍晚六时许，除了塔脑山主阵地外，周围高地大部分被攻占。
七团和九团承受了严重的伤亡。阵亡官兵的尸体布满了山坡。阵亡者多是新兵，