8月12日，日军第101师团沿德星公路及湖岸路进攻星子、玉筋山一带第25军第52师前进阵地，经一天激战，星子及玉筋山陷落。日军继续攻击前进，在东牯岭、鼓子寨第52师主阵地遭到坚强抵抗，日军伤亡惨重。
24日，日军300余人在牛屎墩登陆，猛袭第52师右侧背，师长冷欣沉着应战，分兵抵抗，战至深夜，日军攻势衰竭。冷欣抓住战机，亲率敢死队，夜袭登陆之敌。日军毫无防备，被敢死队包围，敢死队各种武器齐发猛射，日军来不及抵抗，即被全歼。
26日，日军疯狂报复，炮火轰炸、施放毒气、反复冲击第52师阵地。经三昼夜惨烈的阻击战，第52师官兵伤亡十分惨重，仅阵亡团长以下军官就达百余名，全师一万多士兵伤亡过半，却始终坚守阵地，并使日军付出重大伤亡。战至深夜，第66军第160师前来接防，第52师开赴华龙山休整。
日军也不断增加兵力，继续向第160师阵地猛攻。第160师坚决抵抗，直至31日敌军毫无进展。日军又以数百人在王爷庙登陆。第160师师长华振中发现后，亲率一个营猛冲上去，在日军尚未全部登陆，不成战斗队形时，一举将敌击溃。登陆日军来不及登舟逃窜，大部溺水。日军连遭惨败，而更加疯狂。
9月1日，日军猛攻第160师桃花尖阵地时，炮火、催泪弹、窒息性毒气并用，团长梁佐勋在阵地督战，与三个连官兵同时中毒牺牲。日军占领桃花尖，威胁第160师左侧背；兵团指挥部调王敬久第25军第190师接防东牯岭，使第160师集中主力反攻。
日军第101师团第149联队利用两师换防之机，猛攻东牯岭阵地，并被突破一部分，给守军极大威胁。东、西牯岭在庐山东南麓，居高临下，可以瞰制德星公路，是中**队必守、日军必争之地。
第190师师长梁华盛亲临前线，在牯岭背面布设隐蔽阵地，在日军飞机大炮轰炸时隐蔽，以减少伤亡。9月5日至7日，两军在东牯岭短兵相接，展开肉搏，反复争夺，双方伤亡惨重。激战中，日军攻击部队第149联队长饭冢大佐，赤膊光脊背，举着战刀督战，被守军机枪神枪手击毙，致使日军攻击部队退却。
日军师团长伊东正喜恼羞成怒，大举报复，立即下令：“不惜一切代价，攻下东牯岭，为饭冢报仇！”并把师团司令部移至前沿，亲临指挥作战。
日军飞机大炮向东牯岭猛烈轰炸，乱石飞崩，草木燃烧，硝烟弥漫，欲将山岭夷为平地。数小时狂轰乱炸之后，伊东以为东牯岭守军全被炸死了，便命令以五个大队兵力发起总攻。
梁华盛将预备队全部投入战斗，三千多官兵居高临下冲杀下来，与日军展开惨烈肉搏战。激战一小时，日军被迫退却。不多时，日军十多辆战车掩护着步兵，顺着盘山道隆隆地开过来。守军没有反战车炮，暴风雨般的枪弹打到战车上，只能溅起一朵朵火花，战车丝毫无损，肆无忌惮地直冲牯岭顶峰，日军步兵喊叫着紧随其后。
眼看日军战车就要冲上守军阵地。紧急关头，守军排长吴志宏迅速将十多颗手榴弹捆绑在一起，抱在怀里，高喊着：“弟兄们，和鬼子拼命的时候到啦！”向日军战车冲去。
“轰”地一声巨响，第一辆战车爆炸了。排长吴志宏和战车同归于尽了！
“排长……”十多勇士像排长一样，抱着集束手榴弹，呼喊着向敌战车扑去。
“轰！轰！轰！”前面几辆战车瘫痪了。指挥冲锋的第149联队新任联队长津田大佐，目睹守军士兵如此壮举，大惊失色，急令撤退。血战一昼夜，守军打退日军20余次冲锋。
8日下午，日军第101师团全部赶到，以猛烈压迫，中国第190师退守西牯岭。日军又以雄厚兵力，在十多架飞机支援下猛攻西牯岭。两天激战，第190师伤亡惨重，团以下军官大部分伤亡，全师官兵伤亡过半，但依然坚守阵地。
第25军军长王敬久亲到西牯岭督战，又坚守两天。薛岳看到各部伤亡均大，须作调整，即指示：应极力维持现态势，万不得已时，应放弃东、西牯岭，固守南狮岭、隘口、金轮峰预备阵地。于是第190师于9月14日放弃西牯岭，退至德安休整。
此后，伊东正喜将师团司令部移至西牯岭下的吴家村，开始向下一个目标这一带制高点金轮峰进攻。金轮峰守军是第36军团所辖第29军，军长陈安宝严令各部加强警戒，并通知炮兵，按早已侦察标定的射击区，随时准备万炮齐发。敌师团司令部已在守军炮火射程之内。
次日拂晓，经过挑选的一千多名日本武士组成的敢死队，由大队长川上少佐率领，趁着晨雾偷袭金轮峰。天亮了，云开雾散。日军敢死队爬到了半山腰。
军长陈安宝一声令下，万炮齐发。敢死队员一批批倒下，炸死大、中队长以下军官十余名，士兵一百多人。其余幸存者，丢下轻重机枪13挺，步枪170多支，喊叫着退下山去。
伊东在司令部举着望远镜观战，突然一颗炮弹袭来，在他头顶爆炸，头部中弹重伤休克，昏死过去。总司令冈村宁次得知，即令代理师团长佐藤正三郎停止进攻，第101师团就地休整。至此牯岭战斗结束。