关北中国军队为白崇禧的桂林行营指挥，参谋长林蔚；辖第四战区，司令长官张奎，参谋长吴石；第16集团军，司令夏威。统率：第31军（军长韦云菘；辖131师，师长贺维珍；135师，师长苏祖馨；188师，师长魏镇。）第46军（军长何宣；辖170师，师长黎行恕；175师，师长冯璜；新19师，师长黄固。）第5军第200师（师长戴安澜。）之一部。连同广西教导队独立步兵1-4团，总兵力约六万人。
接着集结来到的除第5军之荣誉第一师（副军长郑洞国兼师长）、新编第22师（师长邱清泉）之外，第5军装甲团、骑兵团、炮兵团、工兵团等全部抵达，当时中国装备最精良的一个军全员上阵；蔡廷锴的第26集团军；叶肇的第37集团军；邓龙光的第35集团军；以及第5军所在的第38集团军亦陆续集结到位。该集团军司令徐庭瑶，以下第2军（军长李延年）；第6军（军长甘丽初）；第99军（军长傅仲芳）第36军（军长姚纯）；连同辅助部队，共达30万之众。
固守昆仑关及关南的日本第21军（司令官安藤利吉中将）之一部，辖第5师团（师团长今村均中将；辖第9旅团，旅团长及川源七少将；第21旅团，旅团长中村正雄少将；台湾混成旅团，旅团长盐田定七少将。）连同海军陆战队（军舰70余艘）、空军（飞机100架）共计约三万人。后期补充抵达的近卫师团；第18师团之一个旅团；兵员总数约10万人，实际参加战斗总兵力只有4.5万人。
还在日军刚占领南宁时，白崇禧即要求立即趁日军立足未稳，兵力尚薄弱马上动反攻。未获蒋批准后，白要求杜聿明向蒋和军委会提出反攻要求，杜赞成，并于12月1日出要求电报：“重庆委员长蒋，军令部长徐。重庆军政部军务司王司长转呈部长何钧鉴：密。目前侵占南宁之敌，其兵力尚不及两师，此次乘我兵力分散虽侥幸成功，但以交通阻塞，除少数山炮外，其他重兵器及机械化部队均无使用，而补给尤为困难，现我军所处情况则实为相反，故此时我军正宜乘敌孤军深入后援未济之时，集结优势兵力，配合地方民众，迅速（12月10日前）反攻，以击破该敌而恢复国际之重要交通，用敢不揣冒昧，谨申关于攻击前部署意见如下：（略）以上所陈是否有当，伏维鉴核示遵。迁江第5军代军长杜聿明东午参一。”（《广西文史资料》第19辑，第12-13页。）
老蒋疑人也用，用人也疑，可见一斑。身为最高指挥官的白崇禧，屡奏不准便只好求其下属越级上奏，但也未能如愿。老蒋迟疑不决，贻误了最佳战机。所幸日本方面轻敌，在接获汉奸密报，谓南宁昆仑关以北已有十余万国军集结之后，今村均认为是“不可能的事”，未予理睬。而更高层则仍希望继续开展“谋略工作”，企图策动桂系反蒋，分裂的中国无疑是有利于日本侵略的。
还在八月间，日本驻上海特务机关便派出汉奸做李、白和龙云的策反工作，要求他们倒蒋，日军给予协助。被李、白、龙云拒绝。12月10日，今村均出《致李、白将军书》的通电，表示尊敬李、白治理广西的业绩；此次进攻南宁仅为切断蒋政权的交通线，希望两位将军洞察世界大势，促进日华提携。如仍执迷不悟夺取南宁，日军南宁驻屯军必胜无疑。最后告知：“对在南宁战斗中战殁之将军部下4200余名勇士，我军已予合葬于南宁中山公园，郑重供祭，尚乞安心。”（《日本军国主义侵华资料长编》上，第505页。）
直至12月7日，蒋突然决定反攻。8日白崇禧将此决定转达各部，目标是“攻略昆仑关而后收复南宁”，各部亦开始反攻准备。中旬，国军集结基本完成。蒋又派陈诚、李济深监督白崇禧作战，第四战区司令张奎也由韶关抵达迁江。15日，白以桂林行营名义出第一号反攻令。白崇禧部署如下：
北路军，总指挥徐庭瑶，部第5军主攻昆仑关；第99军第92师绕伶俐圩西进，攻击七塘侧击昆仑关之敌。西路军，总指挥夏威，部第一纵队（司令周祖晃）攻击高峰隘；第二纵队（司令韦云菘）在南宁南部苏圩集结，阻止敌后增援南宁。东路军，总指挥蔡挺锴，部何宣第46军向陆屋、灵山破袭邕钦公路；叶肇的第66军攻击昆仑关则翼之古辣、甘棠敌军。第99军另外两师作为战略预备队。
12月16日杜聿明（此时已任军长）召开第5军团长以上军事会议，布置对昆仑关之攻坚战。他制定的是“关门打虎”的包围全歼战术，以第200师（师长戴安澜）、荣誉第一师（师长郑洞国）正面主攻昆仑关；新编第22师（师长邱清泉）为右翼迂回部队，由小路绕过昆仑关，攻占五塘、六塘，打击南宁方面日本援兵；第200师副师长彭璧生率两个补充团担任左翼迂回支队，绕甘棠、长安攻击七塘、八塘，则击昆仑关之外，堵住其退路并阻击援军。
昆仑关守敌为第5师团主力第21旅团的松本总三郎大队。其第42联队及第21联队在九塘至南宁一线。中日两军之最精锐部队在昆仑关碰撞了。今村均的轻敌再次帮助了中国军队，他同日命令第九旅团长及川源七少将率领数千日军奔袭龙州、镇南关（友谊关），这支部队于17日出，中国军队总攻击时间定于18日拂晓。
18日凌晨，战斗打响。先是炮战，中国第5军的重炮兵团以及各师炮营同时开火，日本方面除炮兵外，最令中国军人头疼的是上百架飞机的轰炸。炮火延伸后，第200师与荣誉第一师开始攻坚，至夜晚，荣一师攻占了昆仑关附近的仙女山、老毛岭、万福村、罗塘和411高地；第200师攻占了653、600两个高地，并一举攻占昆仑关主阵地。
19日中午，日军出动飞机狂轰滥炸，今村均派出第21旅团第21联队，由联队长三木吉之助大佐率领抵达昆仑关阵地，并夺回昆仑关。其他阵地也在得而复失、失而复得的激烈争夺中。新22师右翼迂回部队占领五塘六塘，其中五塘复被日军夺回，六塘则始终坚守住，在打击日军增援上作用极大，有效地保证了昆仑关战斗。今村均命令台湾混成旅团由南宁增援昆仑关时，被邱清泉亲率主力堵在六塘激战；杜聿明不失时机命令郑洞国派该师郑庭笈第三团从右翼包围九塘，郑团利用黑夜攻占九塘西侧高地。
20日，昆仑关敌渐不支，频频告急。今村均命令第21旅团长中村正雄率第42联队增援昆仑关，但在五塘被邱清泉部堵截，激战两天不能前进。直至22日拂晓，方抵达七塘，又被阻截，中村本人23日上午也受伤。下午1时半，三木大佐告急：“黄昏前旅团如不能到来，第一线难以确保。”
另一边，11日奉今村均命令增援昆仑关的台湾混成旅团林义雄大佐第一联队、渡边信吉大佐第二联队在邕钦路上被175师各部阻击，不能及时赶赴昆仑关。其渡边联队在陆屋遭遇第524团（团长巢威）阻截，激战三日不能通过，渡边大佐被击毙，残敌逃回钦县。20日，今村又命令奔袭龙州、镇南关的第9旅团分出第三大队伊藤部队乘坐105辆汽车返回驰援昆仑关。
21日，蒋介石对昆仑关战役及整个桂南战役进展缓慢极其不满，给桂林行营及各参战部队下达命令：“前方各部队与炮兵等，如有不积极努力进攻，或不能如限期达成任务者，应即以畏敌论罪，就地处置可也。”（《反攻南宁战役经过》广西博物馆藏油印本。）此令出也非无由，18日西路军170师起高峰隘战斗，19日占领高峰隘附近山头，但当晚即被日军偷袭，20日该处失守，国军败退至葛圩一带。白崇禧亲自作阵地视察，亦无改观，始终无法攻占高峰隘，致使阻击日军援军初衷无法实现。而邕龙路伊藤部则在西长圩被131师截击，22日今村均不得不派南宁仅有的两个中队和两个机枪小队前往援救，又在苏圩附近遭188师阻击。伊藤大队在西长被围整三天之久，却因131师不敢近战而免被歼之命运。最后，在飞机掩护下，这两部日军均得以突围，26日下午返回南宁。
24日，及川支队接到今村均返回南宁的命令，便销毁缴获的大批战略物资，撤离龙州、镇南关。白崇禧得知第一批回窜之敌逃脱，第二批又在返回后，唯恐增援昆仑关导致我军进攻失败，急电西路军总指挥韦云菘：“如再放过第二批回窜的敌军，影响主力兵团方面的战局，该副总司令应受严惩。”（《广西文史资料》第25辑，第27页。）结果仍被敌军主力逃脱。地方部队习惯于保存实力、互相推诿使日军获益。例如冯璜于11月22日接任175师师长时白崇禧对其交代：“现在大敌当前，第16集团军各部队长官间还闹意见，你见他们时，传达我的意思，请他们好好的以大局为重，放弃成见，共同抗日。”而16集团军司令夏威则交代冯璜：“抗战是相当长期的，不可把‘本钱’一下赌光。”（冯璜：《第175师战斗在桂南》，载于《粤桂滇黔抗战》第192页，中国文史出版社1995年版。）
在昆仑关主攻阵地上，郑庭笈的迂回部队建立了功勋。他用望远镜现九塘公路边大草地上有日军军官正集合开会，马上命令第一营以轻重机枪、迫击炮集中火力猛击。炮弹击中目标，敌军官死伤惨重，乃至后来不得不空投军官来补充作战。中村正雄少将即是被炮火击中于24日身亡的，只是没有明确证实是哪一次炮火所击毙。
我军第二次夺取昆仑关阵地。但不久又被日军夺回。
到23日，仅第5军正面进攻的两个师，伤亡就达二千余人，日本军伤亡也在千人以上。六天战斗未获理想战果，而敌军援兵已从各地开来，形势不容乐观。杜聿明分析两得两失的教训，是日军在关口两侧有坚固的堡垒工事，组成交叉火力网，致使我军攻击失败。于是决定改变战法，集中优势兵力，从外围攻击各据点，逐渐缩小包围圈。25日，荣一师第二团在团长汪波率领下，步炮协作，攻下罗塘南高地，全歼守敌二百余人。这是很重要的突破，杜聿明传令嘉奖。接着各师、团军心振奋，依次攻克昆仑关周边诸高地。
同日，日军台湾混成旅团之两个联队到达八塘，中村旅团的第42联队更到达九塘。中村正雄被击毙后，第42联队长坂田元一代理21旅团长。经白崇禧批准，杜聿明决定集中全部兵力，一举歼灭这支日本精锐之师。于是除调回第5军全部兵力猛攻昆仑关之外，加配叶肇第37集团军所属之第66军和作为总预备队的第99军两个师，将这五个师全部用于打击八塘以南敌人援军。28日，重新部署的陆军第5军加紧攻关，至30日，昆仑关周围敌据点和侧防机关基本肃清，关里的日本精锐之师――“钢军”主力第21旅团已成瓮中之鳖！
我们有必要着重介绍一个攻坚战斗。界高地位于昆仑关北，是敌最坚固的据点。担任攻坚任务的是杜聿明调拨给第200师指挥之郑庭笈荣一师第三团。28日晚该团开始攻击界高地，尽管敌机在头上扫射、轰炸，该团士气旺盛，不顾牺牲顽强进攻。郑组织爆破手，以手榴弹塞进敌据点枪眼，该团九个步兵连，七个连长伤亡！郑庭笈身边的司号长李均也中弹牺牲，郑庭笈始终战斗在第一线，终于在29日上午攻克界高地。30日，新编第22师邓军林团胜利攻克昆仑关。