日军战史称昆仑关战役为：“通观中国事变以来全部时期，这是陆军最为暗淡的年代。”“中国军队攻势的规模很大，其战斗意志之旺盛，行动之积极顽强，在历来的攻势中少见其匹。我军战果虽大，但损失亦为之不少。”
日军见昆仑关失手，立即出动大批飞机、火炮掩护新锐的预备队兵力发动反攻，未等中国军队喘过气来又重新夺回昆仑关。此后敌我双方都在各个要点和制高点处展开激战，阵地几易其手，第5师团长今村下令21旅团长中村正雄亲率两个大队前往增援。当日10点，援敌将五塘夺回，而守军65团稍加退却，旋即收缩集中兵力，奋战到下午又收复五塘。但敌人趁占领五糖的时机，向昆仑关内急输了1000余名援军，增加了我军再次夺回的困难。
左翼迂回支队占领七塘和八塘以后，将日军的退路切断，而赶来增援之敌在八塘附近又陷入了第五军的反包围之中经过第5军的连续打击，日军溃不成军、损失惨重，残兵败将攀山越岭落荒而逃，所乘汽车则被第5军军属炮兵击毁。
正在21旅团与第五军激战之时，在南宁后方维护交通线和警戒任务的台湾旅团长盐田定七少将以其部第1联队赶至五塘增援，伺机反攻六塘。邱清泉师长命令刘建章团死守五、六塘之间，诱敌深入。当日下午，熊笑三团与敌另一路援军发生激战。入夜之后，日军又动用坦克和装甲车掩护步兵再攻六塘邱清泉一方面急令所部工兵破坏公路桥梁，阻敌机械化部队前进，另一方面则亲率部队向突出部之敌发动反击，并成功地击毁敌坦克数辆。在新编22师各个团的猛烈攻击下，日军纷纷离开公路、据点向山区逃窜。
由于战局日益激烈紧张，日军抵抗又非常顽强，昆仑关仍未攻下，1939年12月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。”白崇禧在徐庭瑶的陪同下再次来到第5军前指，检查督导作战。他首先表扬了部队第一阶段的战绩，但也指出了战前对敌情侦察不明、用兵分散、火力不够集中、对包围之敌不能迅速消灭等问题。杜聿明也提出了补救改进措施，主要是集中优势兵力、火器，重点打击，彻底切断敌军与南宁方向的联系，争取尽快消灭当面之敌。
24日拂晓，按照新的作战部署，荣誉l师集中主力兵员和火器向前一天得而复失的昆仑关前的重要据点——罗塘再次发动猛攻。激战到下午4时，再次攻克罗塘，24 日下午，中村正雄亲自到九塘督战，并在一片大草地上召集官兵训话。正在这时，荣誉1师第3团团长郑庭笠在用望远镜观察敌情，发现大草地上的日军正在列队集合，遂下令1营从刚夺占的高地上用迫击炮、重机枪猛烈攻击日军，予敌以重大杀伤。中村正雄腹部中弹，伤势严重。而傍晚日军军医正给中村正雄做手术时，一颗炮弹击中了手术室的草房，第二天凌晨5点中村正雄死去。
经过郑廷笈团全体官兵的奋战，我军又二次夺回昆仑关日本鬼子在短暂的退缩收拢集中了剩余部队后，又发动了更加凶猛的反击。由于郑廷笈团攻上昆仑关已近精疲力尽，且兵力损失大半，工事又非常残破，所以昆仑关再度易手。但敌人外来援军之路已被我彻底切断，日军也只能负隅顽抗了，每天的弹药给养仅凭几架飞机空投，许多士兵只能以野果充饥。
昆仑关两得两失，徐庭瑶和杜聿明仔细研究了其中的原因。敌人在关口四周的高地上布置了各种轻重火器，能对进攻关口的我军形成交叉火力威胁，如果不彻底消灭这些火力点，即使再攻克，也站不住脚。因此杜军长决定加强兵力火器，先拔去这些火力点。他将各个任务“分片包干”给一线各团队，同时命令军参谋长黄翔用电话向各团下达了限期攻占的任务。
12月25日凌晨，根据最新作战部署，第5军又开始了新一轮的攻关血战。荣誉第1师团在团长汪波的带领下，冒着敌军的枪林弹雨，以神勇的作战行动，再克罗塘高地。汪团又向老毛岭和441高地发起猛攻。在付出了惨重的代价之后，汪波团终于又攻占了 441高地，并彻底消灭了所有的守敌，牢固地守住了新攻占的要点。
第200师598团在高吉人团长的指挥下两次攻克同兴堡，最后坚守住同兴堡。第600团也在刘少峰团长的指挥下拿下 600高地。团队进攻也基本顺利。到日暮时分，敌人在昆仑关右侧的高地又全部被我军收复，但第5军也付出了极大的代价。
界首高地位于昆仑关东北，地势险要，悬崖峭壁，是日军保卫关口的最重要屏障，几次强攻均未拿下，而主攻部队200师伤亡很大。杜聿明遂令郑洞国派其所部3团加强给200师，戴安澜全权指挥。戴师长得到增援后，连夜发动进攻。在敌叉火力的打击下，伤亡仍然很大，多次组织敢死队爆破手抵近敌人工事投弹爆破，均无显效。激战到午夜12点钟，该团9个步兵连长已有7位伤亡，连郑庭笈身边的司号长也中弹牺牲，天刚破晓，军属炮兵便开始用重炮轰击，各攻击部队也隐蔽接十冲地点，我军炮火开始延伸射击，各部队马上发起冲击，经过3小时的激战，界首高地终被我军攻破。 由于界首落入第五军之手，日寇只能龟缩在关内和附近几个小高地上。第5军乘胜追击，对昆仑关发动总攻。邱清泉师的邓军林团一马当先，第三次攻入昆仑关。随后大部队蜂拥而入，很快扫清残敌。到31日，昆仑关所有残余日军都被消灭干净，昆仑关被第5军完全收复。与此同时，昆仑关附近几个小高地上的残敌也被消灭，昆仑关战役至此胜利结束。