中國軍隊的進攻
就在日軍緊鑼密鼓調兵之時，蔣介石要求全線反攻。“5月25日，第一戰區司令長官部，曾頒甲作命第二十一號反攻命令，正遵辦間，復奉令暫停行動。至31日，更奉蔣委員長辰寢戍令一元甲電令：「限6月2日10時開始反攻。」”此前，第八戰區副司令長官胡宗南將軍認爲單純的防禦不能保持陣地完整，已下令所轄部隊自5月27日主動出擊。
國民黨軍第8師和第106師擔任對日軍反攻的先鋒。第8師反攻五原窯-大原一線，第106師(師長李振清)負責攻取峴山廟。國民黨軍第8師原爲湘軍勁旅，師長吳俊原爲第一師第二團團長。爲了守備靈寶一線，第八戰區爲這個師配屬了重炮第11團105MM榴彈炮一個連，另將第九軍炮兵營一個山炮連和第一軍的一個37MM戰防炮連調撥給該師。自5月27到6月2日，國民黨軍兩個師以猛烈炮火向日軍陣地發起攻勢。日軍戰史資料稱：“當面國民黨軍兩個戰區的部隊較多，並控制着靈寶至潼關大縱深的黃河南岸之狹長谷地，從5月27日到6月2日連連發動執拗的反擊”。峴山廟陣地自被日軍步兵第59旅團獨立步兵第82大隊佔領後，就成爲從平陸和垣曲渡過黃河而來的日軍第一軍在豫西立足的重要支撐點。日軍連遭106師的猛烈攻擊後，傷亡慘重，在6月1日的攻擊中，半天的戰鬥，防守該陣地的山田中隊就傷亡過半，增援來的澤谷中隊奉命接防，剛進入陣地就陷入與國民黨軍慘烈的白刃戰中。雖然國民黨軍未曾攻取峴山廟，但日軍獨立步兵第82大隊經此一戰，已喪失戰鬥力，被迫撤退後三角山一帶休整。
6月2日晨，國民黨軍第八師冒雨發起猛攻，開始進展順利，官兵前赴後繼，銳不可當，一度攻取了五原窯陣地。敵軍杉兵團從陝縣調來汽車10輛，滿載敵兵馳援。右翼106師沒有按計劃佔領峴山廟，致使第八師孤軍深入。3日12時，日軍三四百援兵竄馳南北朝村，並向第二十二團的後方干擾，雙方白刃肉搏，死傷枕藉。據師長吳俊回憶：“反覆爭奪一個據點達10餘次之多，以至屍橫遍野，其悲壯之激烈狀況，不亞於淞滬戰場。”(《反攻陝州及靈、虢防守戰》第57軍第8師師長吳俊，14時30分，副長官胡宗南下令：第八師撤至韓家凹、砦子溝、季家灣、五帝村之線(韓家凹今爲韓家村，砦子溝今爲溝北村，季家灣應爲吉家灣)。4日，戰場較爲沉寂，第八師傷亡較重，反攻無力，防守亦難，李延年速調戴慕真的一○九師增援，令其在神窩、路井、橋頭、朱家窩一帶設防。6月5日，日軍發動再反攻，國民黨軍第八師的反攻陝縣告以結束。
國民黨軍統帥部對反攻陝州之役期望很高，陝州之役未能達成蔣介石親自下達的預定目標，令蔣大失所望。當時，國民黨軍指揮部認爲陝縣的日軍僅有天兵團所轄的地兵團等兩個旅團人馬。對洋兵團、神部隊、杉兵團的調入並不清楚，對熊兵團的參戰更爲不知。國民黨對這次作戰，敵情不明，方略失當，命令多變，倉促上陣，被繁雜的日軍參戰部隊保密代號所矇蔽，自以爲是以多打少，實際上是以少打多。6月4日夜，日軍熊兵團在陝州大營完成集結，做好了機動準備，6月5日06時日軍發動總反攻。於是，被反攻的普通裝備步兵師以血肉之驅死拼日軍坦克師團的大鏖戰，在崤函高地、弘農澗畔，銘記下中華民族抵禦外來侵略歷史篇章的光輝一頁!
日本軍隊的進攻
6月1日，日軍戰車第三師團戰車第17聯隊兩個戰車中隊在聯隊長渡邊謙太郎帶領下祕密抵達戰場，等待施以致命一擊的最佳時機。3日，岡村寧次再次電令將山路秀男中將的坦克第三師團(虎兵團)全部配屬第一軍。這樣，吉本貞一共指揮天、地、洋、杉、虎五個兵團，坦克90餘輛，裝甲車250餘輛，發起靈寶戰役。此外，岡村寧次還命第12軍一部在洛寧、盧氏等地策應第1軍作戰。6月4日晚，戰車第三師團在師團長山路秀男帶領下陸續抵達陝縣。同時，日軍對於大反攻的部署做了相應調整。
六月4日10時30分，日軍第一軍司令部在陝縣三裏橋正式發佈進攻命令：“本軍擬按原定計劃於5日晨發起攻擊，首先迅速殲滅弘農河右岸敵軍。”其要點是： ①杉兵團向董家、熊嶺、韓家凹、烏里、布張推進; ②天兵團攻擊峴山廟、曹家園、祖師廟、梅家山，推進到廟頭、馬家凹、高家山一線;同時，派地兵團夜襲三角山西南地區敵軍，然後沿劉家河、南溝，向項城方向挺進;③渡邊支隊(熊兵團坦克的2箇中隊基幹)5日晨越過杉兵團挺進至西水頭附近，與天兵團密切配合截斷敵軍退路。第一軍同時命令，在抵達虢略鎮以後，渡邊謙太郎的兩個戰車中隊再歸還戰車第三師團建制。
日軍戰車部隊的到來，令戰場形勢陡然發生改變。第八師師長吳俊後來回憶道：“敵人不僅以優勢空軍及炮兵掩護，更重要的是陣地前突然出現大批中型戰車衝向我軍陣地”。虢略一帶的地形屬於黃土地帶，地面溝壑縱橫。日軍戰車常停止在土坎上肆無忌憚地對國民黨軍陣地瘋狂掃射炮擊。國民黨軍士兵苦無反戰車武器，只得在土坎下構築掩體，以躲避戰車的射擊。吳俊命令士兵使用集束手榴彈潛往投擲於戰車腹下，日軍戰車被炸數輛。其餘戰車才悻悻而去。第8師戰前戰鬥人員9700多人，戰鬥結束後僅餘1200人，此戰之悲壯，戰鬥之激烈，犧牲之大可以想見。
日軍戰車部隊是於6月5日投入戰鬥的，在國民黨軍戰史資料中記載道：“第八師當面之敵，於五日拂曉，以猛烈炮火向砦子溝、焦嶺、小南朝陣地射擊。六時許，敵先頭部隊四百餘，戰車七輛，向該師陣地進攻。守軍沉着應戰，當毀敵戰車三輛。”七輛戰車爲當時日軍一箇中戰車中隊的編制，而日軍當時有兩個中戰車中隊。國民黨軍戰史續稱：“旋敵站主力步兵千餘，戰車九輛，蜂擁而來，我復將其戰車三輛擊毀。”同時，“敵復以步騎兵五百餘，向王和、韓家凹第24團陣地猛攻;另一部步兵七百，戰車十餘輛，向小南朝第22團陣地猛攻。”如果考慮在前面的戰鬥中被國民黨軍擊毀的三輛戰車，那麼後面戰鬥出現的九輛戰車和十餘輛戰車，幾乎就是戰車第17聯隊兩個戰車中隊剩下的全部戰車了，此戰再毀三輛，日軍戰車在當天的損失有六輛之多，損失比例還是比較大的。但是，被輕型反坦克武器(普通地雷、普通手榴彈等)所“擊毀”的日軍坦克，稍事維修又可投入使用。
國民黨軍缺乏有效的反坦克武器，只能以原始的方法對付這種鋼鐵猛獸。據國民黨軍士兵在多年後的回憶資料，守軍在與日軍交戰前，就預見到日軍有可能使用戰車，因此在洛陽-潼關公路及其兩側陣地前沿，廣泛挖掘反戰車陷阱，當日軍戰車掉入陷阱後，守軍一邊反擊日軍步兵的衝擊，另組織敢死隊對陷阱內日軍戰車圍而毀之，如此戰術擊毀日軍戰車六輛，恰與當日國民黨軍戰史資料的記載相符。
儘管守軍官兵英勇奮戰，但連日的消耗尤其是日軍戰車部隊的出現，令國民黨軍前線指揮官十分顧慮，5日晚前線指揮官命令各部收縮陣地調整部署準備再戰。第二天一時許，日軍即趁夜色以戰車十餘輛，步兵五六百，在炮火掩護下，向守軍第八師24團陣地進攻，日軍戰車很快突破了守軍陣地，雙方步兵開始進行反覆肉搏，激戰中24團副團長馬炳章壯烈犧牲。6月6日黎明時分，第八師陣地分別被日軍戰車突破，國民黨軍被迫全線後撤，轉入到弘農河西岸的第二道防線堅守。在撤退前，國民黨軍對洛陽至潼關公路進行了徹底的破壞，利於日軍戰車可能行動的要道要點“一律佈雷”。
國民黨軍在通向虢略的各條道路上均佈設了大批地雷，令戰車第三師團十分頭痛。守軍利用陡坡、臺地和大面積的佈雷區進行防守並集中使用戰防炮進行反擊，使戰車第三師團的戰車舉步維艱。伴隨戰車第三師團前進的師團工兵隊奮力進行排雷工作，試圖爲戰車開闢前進道路，卻往往因爲守軍堅決抵抗而進展極其緩慢。國民黨軍第97師291團二營(營長劉舜元)據守的弘農河東岸官莊原-藍家凹陣地，依託有利地形，沉着抗擊日寇四、五十輛戰車和上千名日軍四天三夜，隨後成功突圍回衛軍部。豫中會戰初期，日軍坦克第三師團以兩天半的時間，攻佔了許昌、郟縣、臨汝，前進了大約150公里。這次，直到6月9日，日軍坦克第三師團僅前進了20公里，剛剛抵達弘農河東岸。眼見距離華北方面軍規定的6月10日終止戰鬥的期限只有一天了，而完成突破守軍防線並與第69山地師團會師於虢略東北的計劃還遙遙無期。華北方面軍原來以爲發動進攻後，很快就能突破並擊潰守軍的防禦，因此第一軍的參謀們還曾向華北方面軍建議從澠池向西發動大規模進攻佔領潼關，以爲下一步進攻西安做準備。華北方面軍甚至中國派遣軍都自負地認爲這一計劃可行，但擔心會影響一號作戰的兵力使用，攻佔潼關後沒有足夠兵力守衛爲由，拒絕了第一軍這一建議。現在6月10日的期限已經迫在眉睫，第一軍原來預定的作戰任務卻還沒有完成，這令第一軍的參謀們十分難堪。
6月10日，日軍戰車第三師團主力渡過弘農河，向弘農河西岸的國民黨軍陣地發起猛攻，但守軍的大面積佈雷區，令戰車第三師團長山路秀男十分爲難。當日下午，第一軍參謀長吉本貞一來到弘農河岸以東的西水頭村戰車第三師團司令部，與山路秀男一起勘察地形，選定進攻道路。戰車第三師團參謀長橋本通義大佐向吉本做了戰場彙報，心急火燎的吉本與山路秀男及戰車第三師團作戰主任參謀永山仙一中佐研究後，決定將突破點選在虢略鎮附近的牛莊-畢家砦一線。當日傍晚，日軍選擇戰車部隊新的攀山上塬的攻擊道路後，此處很快成爲激戰的焦點。國民黨軍在牛莊-畢家砦-雷家溝的防衛，分別由第97師、第8師和第106師(增援)承擔。此時的戰車第三師團，在6月10日上午的進攻中，因爲地雷和國民黨軍空軍的轟炸以及反坦克炮的射擊，有不少戰車被擊毀和擊傷，已經蒙受了很大損失。伴隨其進攻的第62師團獨立步兵第14大隊也傷亡慘重，大隊長金森正平少佐在上午九點被畢家寨守軍擊斃，換由尾崎接任，很快也被打成重傷，繼由炮兵中隊長柴田指揮，一天之內換三任大隊長，可見戰況之激烈。爲了加強突擊力量，日軍孤注一擲，將從山西調來的最後一個預備隊——原來留守在垣曲渡口的第12軍最精銳的獨立步兵第120大隊配屬戰車第三師團。6月10日晚的激戰後，日軍戰車部隊突破了畢家砦防線，在戰車和重炮火力掩護下，日軍步兵繼續向前貫穿擴大突破口。在此緊急關頭，剛被106師317團換防替下火線的第八師副師長王劍嶽率領殘部殺回陣地，兩次負傷，不下火線，英勇陣亡。
中日軍隊的後撤
國民黨軍的奮勇戰鬥，血肉之軀終擋不住日軍的戰車。當日在弘農河西岸的國民黨軍陣地被日軍數處突破，國民黨軍參戰各部被迫全線後撤。
李延年總司令，呈准轉移陣地於東、西長安亙盤豆之線，二十四時，以作命第五號調整部署，其命令要旨如左：
一、當面之敵，連日向我朱陽鎮、虢略鎮亙靈寶主陣地猛攻;另敵敵約四、五百，已竄抵香爐溝、鐵佛寺各隘口附近。
二、本集團決即轉移陣地於有利地帶，以一部於陽平鎮公路南北之線佔領陣地，阻敵前進，掩護主力，於今(十)日開始沿張華公路兩側，向盧靈關亙盤豆鎮之線轉進，重新部署。
三、第十六軍李正先軍長，指揮所部，速向突入之敵逆襲，予敵打擊後，即於今(十)日二十四時，開始開始分向堡內、閿底鎮附近地區轉進，至新城子、關峪口(閿底鎮南)附近，集結待命，第一零九師，應在朱陽鎮附近高地佔領陣地，拒止敵人，無命令不得撤退。
四、第一軍張卓軍長，指揮所部，速向突入之敵逆襲，予敵打擊後，即於今(十)日二十四時，開始分向堡內、閿底鎮附近地區轉進，第九軍炮兵營，沿張華公路西進，至謝家灣附近，歸第四十軍馬法五兼軍長指揮，各軍之轉進路線如後：
第一六七師，由焦村經巴魯、官莊向馬峯峪轉進，邇後即集結馬峯峪待命，第一軍所屬炮兵，沿張華公路經陽平鎮向岱子營轉進，爾後集結堡裏待命，第五十七軍沿隴海路經閿鄉向閿底鎮轉進，即在該處待命，第一零六師，經張華公路向安家底附近轉進。
五、第四十軍馬法五兼軍長，指揮第三十九師、第一零六師、炮兵第五十二團、戰防炮兩連，即於喊山、(不含)南故縣亙盤豆之線佔領陣地，阻敵西進，並以一部擔任黃河南岸之守備，第三十九師靈寶、稠桑河防之防務，須俟第五十七軍通過後方得撤退。
六、各部轉進時，第一線掩護部隊，由張卓軍長統一指揮：節節抵抗，並將轉進路之交通通訊徹底破壞。
各部奉令後，於六月十一日一時開始行動，第一軍之一部，節節抵抗，其餘各部向指定地點轉進，並令第十六軍預備第三師，以一部警戒秦嶺各隘口，主力掩護第四十軍佔領新陣地後，祕密於夫婦峪、大湖峪、後山山地佔領側面陣地，阻止由南向北突擊西進之敵;同時令第五十三師，主力集結盧靈關以東地區，候令行動，突擊西西進之敵。第一零九師，集結朱陽鎮及其以東地區，求敵側背而攻擊之。至八時，轉進部隊概已完成，正面敵，除少數騎兵至巴魯、永泉樹、常家灣南北之線外，僅有戰車七、八輛，步、騎百餘之敵，進至屯裏;另一部步、騎兵三、四百，經大閻原至稠桑鎮附近，一部進至閿鄉，潛伏於鐵佛寺及山溝之敵，乘預備第三師主力轉移，向東佔領掩護陣地之際，繞經夫婦峪以東山口，向陽平鎮、閿鄉附近進出，即沿陽平以東高地金盆之線，與第三十九師及預備第三師警戒部隊對峙。竄至陽平、坡頭、金盆、閿鄉之線敵人，於十一日夜，迄十二日晨，分股向我進攻，第三十九師及預備第三師之一部，分別反擊，至十二日午，敵已呈動搖之勢，此時虢略、靈寶方面，敵主力並未西進，且於十一日先後東退，陽平、閿鄉之敵，亦相繼東退。
6月11日中午，日軍第一軍下令各部隊全體向東撤退，恢復進攻前態勢轉入防禦。日軍東撤後，李延年令司元愷的第39師、戴慕真的109師東返，恢復失地。13日第39師收復閿鄉，14日收復函谷關，15日收復靈寶城。16日一○九師收復虢略鎮。17日，基本恢復戰前態勢。靈寶戰役也至此結束。
靈寶作戰：中國軍隊在豫中戰役並非完全潰敗，日本集中第一軍攻佔澠池後，另一部攻蒲州準備入關中，其第十二軍主力攻佔許昌、襄城後向西沒有及時把洛陽作爲主攻方向，讓中國軍隊很多部隊得以退入關中，沒有發揮日軍在關內唯一的坦克師團的作用。但是關中的危機依然沒有緩解，日軍第一軍力主攻打關中，該軍會合坦克第三師團後依然僅三萬人，華北參戰十多萬日軍中，第十二軍有九萬，卻沒能發揮主力作用。第一軍攻打關中面對十萬守軍，能逐步攻佔靈寶、函谷關等險要防線，逐步向潼關推進，成爲日軍主力，在防禦作戰中，40軍的106師發揮了主要作用，不僅多次打退敵軍進攻，還能佈設地雷阻擊日軍坦克。但是中國軍隊總體上難以阻止日軍攻勢，日軍在六月上旬攻佔閿鄉，兵臨潼關。此時日本華北方面軍竟不聽第一軍要求入關中的意見，把第三坦克師團調離，失去了駐華日軍中最強的機械化部隊支援後，第一軍轉入防禦，爲中國軍隊爭取恢復、整頓反擊創造了條件。日軍逼近潼關是在抗戰期間關中最危險的時候，如果第十二軍也投入攻擊，或不調走坦克師團，形勢對中國將非常不利。中國軍隊立即投入反攻，主要也是讓40軍作戰，閿鄉、函谷關、靈寶等地勢險要的防線是日軍攻擊關中的重要前進基地，但是經過艱苦進攻作戰的第一軍沒能阻止40軍的39師收復這些地區。沒有得到第十二軍支援的第一軍被迫放棄了這些戰略要地，退守到陝縣地區，潼關和關中地區終於擺脫了日軍直接威脅，日軍退出這些戰略要地對未來對關中作戰造成的消極影響不久就顯現出來。日軍要攻取關中奪取陝北的油田，並且把那裏的資源運出，必須攻佔關中平原的糧食產區，再依託隴海線、同蒲線的運輸能力運送石油和糧食，因此奪取關中平原是前提，中國軍隊收復潼關以東阻止日軍入關中對中國的戰略利益有巨大影響。日軍不久再想攻入關中，卻面對靈寶、函谷關地區險要的防線，無力再投入艱苦的爭奪，次年日本第十二軍、一軍試圖從上庸、商洛武關等地突襲西進，也未能奏效。
