中国军队的进攻
就在日军紧锣密鼓调兵之时，蒋介石要求全线反攻。“5月25日，第一战区司令长官部，曾颁甲作命第二十一号反攻命令，正遵办间，复奉令暂停行动。至31日，更奉蒋委员长辰寝戍令一元甲电令：「限6月2日10时开始反攻。」”此前，第八战区副司令长官胡宗南将军认为单纯的防御不能保持阵地完整，已下令所辖部队自5月27日主动出击。
国民党军第8师和第106师担任对日军反攻的先锋。第8师反攻五原窑-大原一线，第106师(师长李振清)负责攻取岘山庙。国民党军第8师原为湘军劲旅，师长吴俊原为第一师第二团团长。为了守备灵宝一线，第八战区为这个师配属了重炮第11团105MM榴弹炮一个连，另将第九军炮兵营一个山炮连和第一军的一个37MM战防炮连调拨给该师。自5月27到6月2日，国民党军两个师以猛烈炮火向日军阵地发起攻势。日军战史资料称：“当面国民党军两个战区的部队较多，并控制着灵宝至潼关大纵深的黄河南岸之狭长谷地，从5月27日到6月2日连连发动执拗的反击”。岘山庙阵地自被日军步兵第59旅团独立步兵第82大队占领后，就成为从平陆和垣曲渡过黄河而来的日军第一军在豫西立足的重要支撑点。日军连遭106师的猛烈攻击后，伤亡惨重，在6月1日的攻击中，半天的战斗，防守该阵地的山田中队就伤亡过半，增援来的泽谷中队奉命接防，刚进入阵地就陷入与国民党军惨烈的白刃战中。虽然国民党军未曾攻取岘山庙，但日军独立步兵第82大队经此一战，已丧失战斗力，被迫撤退后三角山一带休整。
6月2日晨，国民党军第八师冒雨发起猛攻，开始进展顺利，官兵前赴后继，锐不可当，一度攻取了五原窑阵地。敌军杉兵团从陕县调来汽车10辆，满载敌兵驰援。右翼106师没有按计划占领岘山庙，致使第八师孤军深入。3日12时，日军三四百援兵窜驰南北朝村，并向第二十二团的后方干扰，双方白刃肉搏，死伤枕藉。据师长吴俊回忆：“反复争夺一个据点达10余次之多，以至尸横遍野，其悲壮之机烈状况，不亚于淞沪战场。”(《反攻陕州及灵、虢防守战》第57军第8师师长吴俊，14时30分，副长官胡宗南下令：第八师撤至韩家凹、砦子沟、季家湾、五帝村之线(韩家凹今为韩家村，砦子沟今为沟北村，季家湾应为吉家湾)。4日，战场较为沉寂，第八师伤亡较重，反攻无力，防守亦难，李延年速调戴慕真的一○九师增援，令其在神窝、路井、桥头、朱家窝一带设防。6月5日，日军发动再反攻，国民党军第八师的反攻陕县告以结束。
国民党军统帅部对反攻陕州之役期望很高，陕州之役未能达成蒋介石亲自下达的预定目标，令蒋大失所望。当时，国民党军指挥部认为陕县的日军仅有天兵团所辖的地兵团等两个旅团人马。对洋兵团、神部队、杉兵团的调入并不清楚，对熊兵团的参战更为不知。国民党对这次作战，敌请不明，方略失当，命令多变，仓促上阵，被繁杂的日军参战部队保密代号所蒙蔽，自以为是以多打少，实际上是以少打多。6月4日夜，日军熊兵团在陕州大营完成集结，做好了机动准备，6月5日06时日军发动总反攻。于是，被反攻的普通装备步兵师以血肉之驱死拼日军坦克师团的大鏖战，在崤函高地、弘农涧畔，铭记下中华民族抵御外来侵略历史篇章的光辉一页!
日本军队的进攻
6月1日，日军战车第三师团战车第17联队两个战车中队在联队长渡边谦太郎带领下秘密抵达战场，等待施以致命一击的最佳时机。3日，冈村宁次再次电令将山路秀男中将的坦克第三师团(虎兵团)全部配属第一军。这样，吉本贞一共指挥天、地、洋、杉、虎五个兵团，坦克90余辆，装甲车250余辆，发起灵宝战役。此外，冈村宁次还命第12军一部在洛宁、卢氏等地策应第1军作战。6月4日晚，战车第三师团在师团长山路秀男带领下陆续抵达陕县。同时，日军对于大反攻的部署做了相应调整。
六月4日10时30分，日军第一军司令部在陕县三里桥正式发布进攻命令：“本军拟按原定计划于5日晨发起攻击，首先迅速歼灭弘农河右岸敌军。”其要点是： ①杉兵团向董家、熊岭、韩家凹、乌里、布张推进; ②天兵团攻击岘山庙、曹家园、祖师庙、梅家山，推进到庙头、马家凹、高家山一线;同时，派地兵团夜袭三角山西南地区敌军，然后沿刘家河、南沟，向项城方向挺进;③渡边支队(熊兵团坦克的2个中队基干)5日晨越过杉兵团挺进至西水头附近，与天兵团密切配合截断敌军退路。第一军同时命令，在抵达虢略镇以后，渡边谦太郎的两个战车中队再归还战车第三师团建制。
日军战车部队的到来，令战场形势陡然发生改变。第八师师长吴俊后来回忆道：“敌人不仅以优势空军及炮兵掩护，更重要的是阵地前突然出现大批中型战车冲向我军阵地”。虢略一带的地形属于黄土地带，地面沟壑纵横。日军战车常停止在土坎上肆无忌惮地对国民党军阵地疯狂扫色炮击。国民党军士兵苦无反战车武器，只得在土坎下构筑掩体，以躲避战车的色击。吴俊命令士兵使用集束手榴弹潜往投掷于战车腹下，日军战车被炸数辆。其余战车才悻悻而去。第8师战前战斗人员9700多人，战斗结束后仅余1200人，此战之悲壮，战斗之机烈，牺牲之大可以想见。
日军战车部队是于6月5日投入战斗的，在国民党军战史资料中记载道：“第八师当面之敌，于五日拂晓，以猛烈炮火向砦子沟、焦岭、小南朝阵地色击。六时许，敌先头部队四百余，战车七辆，向该师阵地进攻。守军沉着应战，当毁敌战车三辆。”七辆战车为当时日军一个中战车中队的编制，而日军当时有两个中战车中队。国民党军战史续称：“旋敌站主力步兵千余，战车九辆，蜂拥而来，我复将其战车三辆击毁。”同时，“敌复以步骑兵五百余，向王和、韩家凹第24团阵地猛攻;另一部步兵七百，战车十余辆，向小南朝第22团阵地猛攻。”如果考虑在前面的战斗中被国民党军击毁的三辆战车，那么后面战斗出现的九辆战车和十余辆战车，几乎就是战车第17联队两个战车中队剩下的全部战车了，此战再毁三辆，日军战车在当天的损失有六辆之多，损失比例还是比较大的。但是，被轻型反坦克武器(普通地雷、普通手榴弹等)所“击毁”的日军坦克，稍事维修又可投入使用。
国民党军缺乏有效的反坦克武器，只能以原始的方法对付这种钢铁猛兽。据国民党军士兵在多年后的回忆资料，守军在与日军交战前，就预见到日军有可能使用战车，因此在洛阳-潼关公路及其两侧阵地前沿，广泛挖掘反战车陷阱，当日军战车掉入陷阱后，守军一边反击日军步兵的冲击，另组织敢死队对陷阱内日军战车围而毁之，如此战术击毁日军战车六辆，恰与当日国民党军战史资料的记载相符。
尽管守军官兵英勇奋战，但连日的消耗尤其是日军战车部队的出现，令国民党军前线指挥官十分顾虑，5日晚前线指挥官命令各部收缩阵地调整部署准备再战。第二天一时许，日军即趁夜SE以战车十余辆，步兵五六百，在炮火掩护下，向守军第八师24团阵地进攻，日军战车很快突破了守军阵地，双方步兵开始进行反复肉搏，机战中24团副团长马炳章壮烈牺牲。6月6日黎明时分，第八师阵地分别被日军战车突破，国民党军被迫全线后撤，转入到弘农河西岸的第二道防线坚守。在撤退前，国民党军对洛阳至潼关公路进行了彻底的破坏，利于日军战车可能行动的要道要点“一律布雷”。
国民党军在通向虢略的各条道路上均布设了大批地雷，令战车第三师团十分头痛。守军利用陡坡、台地和大面积的布雷区进行防守并集中使用战防炮进行反击，使战车第三师团的战车举步维艰。伴随战车第三师团前进的师团工兵队奋力进行排雷工作，试图为战车开辟前进道路，却往往因为守军坚决抵抗而进展极其缓慢。国民党军第97师291团二营(营长刘舜元)据守的弘农河东岸官庄原-蓝家凹阵地，依托有利地形，沉着抗击日寇四、五十辆战车和上千名日军四天三夜，随后成功突围回卫军部。豫中会战初期，日军坦克第三师团以两天半的时间，攻占了许昌、郏县、临汝，前进了大约150公里。这次，直到6月9日，日军坦克第三师团仅前进了20公里，刚刚抵达弘农河东岸。眼见距离华北方面军规定的6月10日终止战斗的期限只有一天了，而完成突破守军防线并与第69山地师团会师于虢略东北的计划还遥遥无期。华北方面军原来以为发动进攻后，很快就能突破并击溃守军的防御，因此第一军的参谋们还曾向华北方面军建议从渑池向西发动大规模进攻占领潼关，以为下一步进攻西安做准备。华北方面军甚至中国派遣军都自负地认为这一计划可行，但担心会影响一号作战的兵力使用，攻占潼关后没有足够兵力守卫为由，拒绝了第一军这一建议。现在6月10日的期限已经迫在眉睫，第一军原来预定的作战任务却还没有完成，这令第一军的参谋们十分难堪。
6月10日，日军战车第三师团主力渡过弘农河，向弘农河西岸的国民党军阵地发起猛攻，但守军的大面积布雷区，令战车第三师团长山路秀男十分为难。当日下午，第一军参谋长吉本贞一来到弘农河岸以东的西水头村战车第三师团司令部，与山路秀男一起勘察地形，选定进攻道路。战车第三师团参谋长桥本通义大佐向吉本做了战场汇报，心急火燎的吉本与山路秀男及战车第三师团作战主任参谋永山仙一中佐研究后，决定将突破点选在虢略镇附近的牛庄-毕家砦一线。当日傍晚，日军选择战车部队新的攀山上塬的攻击道路后，此处很快成为机战的焦点。国民党军在牛庄-毕家砦-雷家沟的防卫，分别由第97师、第8师和第106师(增援)承担。此时的战车第三师团，在6月10日上午的进攻中，因为地雷和国民党军空军的轰炸以及反坦克炮的色击，有不少战车被击毁和击伤，已经蒙受了很大损失。伴随其进攻的第62师团独立步兵第14大队也伤亡惨重，大队长金森正平少佐在上午九点被毕家寨守军击毙，换由尾崎接任，很快也被打成重伤，继由炮兵中队长柴田指挥，一天之内换三任大队长，可见战况之机烈。为了加强突击力量，日军孤注一掷，将从山西调来的最后一个预备队——原来留守在垣曲渡口的第12军最经锐的独立步兵第120大队配属战车第三师团。6月10日晚的机战后，日军战车部队突破了毕家砦防线，在战车和重炮火力掩护下，日军步兵继续向前贯穿扩大突破口。在此紧急关头，刚被106师317团换防替下火线的第八师副师长王剑岳率领残部杀回阵地，两次负伤，不下火线，英勇阵亡。
中日军队的后撤
国民党军的奋勇战斗，血肉之躯终挡不住日军的战车。当日在弘农河西岸的国民党军阵地被日军数处突破，国民党军参战各部被迫全线后撤。
李延年总司令，呈准转移阵地於东、西长安亘盤豆之线，二十四时，以作命第五号调整部署，其命令要旨如左：
一、当面之敌，连日向我朱阳镇、虢略镇亘灵宝主阵地猛攻;另敌敌约四、五百，已窜抵香炉沟、铁佛寺各隘口附近。
二、本集团决即转移阵地於有利地带，以一部於阳平镇公路南北之线占领阵地，阻敌前进，掩护主力，於今(十)日开始沿张华公路两侧，向卢灵关亘盤豆镇之线转进，重新部署。
三、第十六军李正先军长，指挥所部，速向突入之敌逆袭，予敌打击後，即於今(十)日二十四时，开始开始分向堡内、阌底镇附近地区转进，至新城子、关峪口(阌底镇南)附近，集结待命，第一零九师，应在朱阳镇附近高地占领阵地，拒止敌人，无命令不得撤退。
四、第一军张卓军长，指挥所部，速向突入之敌逆袭，予敌打击後，即於今(十)日二十四时，开始分向堡内、阌底镇附近地区转进，第九军炮兵营，沿张华公路西进，至谢家湾附近，归第四十军马法五兼军长指挥，各军之转进路线如後：
第一六七师，由焦村经巴鲁、官庄向马峰峪转进，迩後即集结马峰峪待命，第一军所属炮兵，沿张华公路经阳平镇向岱子营转进，尔後集结堡裏待命，第五十七军沿陇海路经阌乡向阌底镇转进，即在该处待命，第一零六师，经张华公路向安家底附近转进。
五、第四十军马法五兼军长，指挥第三十九师、第一零六师、炮兵第五十二团、战防炮两连，即於喊山、(不含)南故县亘盤豆之线占领阵地，阻敌西进，并以一部担任黄河南岸之守备，第三十九师灵宝、稠桑河防之防务，须俟第五十七军通过後方得撤退。
六、各部转进时，第一线掩护部队，由张卓军长统一指挥：节节抵抗，并将转进路之交通通讯彻底破坏。
各部奉令後，於六月十一日一时开始行动，第一军之一部，节节抵抗，其馀各部向指定地点转进，并令第十六军预备第三师，以一部警戒秦岭各隘口，主力掩护第四十军占领新阵地後，秘密於夫妇峪、大湖峪、後山山地占领侧面阵地，阻止由南向北突击西进之敌;同时令第五十三师，主力集结卢灵关以东地区，候令行动，突击西西进之敌。第一零九师，集结朱阳镇及其以东地区，求敌侧背而攻击之。至八时，转进部队概已完成，正面敌，除少数骑兵至巴鲁、永泉树、常家湾南北之线外，仅有战车七、八辆，步、骑百馀之敌，进至屯里;另一部步、骑兵三、四百，经大阎原至稠桑镇附近，一部进至阌乡，潜伏於铁佛寺及山沟之敌，乘预备第三师主力转移，向东占领掩护阵地之际，绕经夫妇峪以东山口，向阳平镇、阌乡附近进出，即沿阳平以东高地金盆之线，与第三十九师及预备第三师警戒部队对峙。窜至阳平、坡头、金盆、阌乡之线敌人，於十一日夜，迄十二日晨，分股向我进攻，第三十九师及预备第三师之一部，分别反击，至十二日午，敌已呈动摇之势，此时虢略、灵宝方面，敌主力并未西进，且於十一日先後东退，阳平、阌乡之敌，亦相继东退。
6月11日中午，日军第一军下令各部队全体向东撤退，恢复进攻前态势转入防御。日军东撤后，李延年令司元恺的第39师、戴慕真的109师东返，恢复失地。13日第39师收复阌乡，14日收复函谷关，15日收复灵宝城。16日一○九师收复虢略镇。17日，基本恢复战前态势。灵宝战役也至此结束。
灵宝作战：中国军队在豫中战役并非完全溃败，日本集中第一军攻占渑池后，另一部攻蒲州准备入关中，其第十二军主力攻占许昌、襄城后向西没有及时把洛阳作为主攻方向，让中国军队很多部队得以退入关中，没有发挥日军在关内唯一的坦克师团的作用。但是关中的危机依然没有缓解，日军第一军力主攻打关中，该军会合坦克第三师团后依然仅三万人，华北参战十多万日军中，第十二军有九万，却没能发挥主力作用。第一军攻打关中面对十万守军，能逐步攻占灵宝、函谷关等险要防线，逐步向潼关推进，成为日军主力，在防御作战中，40军的106师发挥了主要作用，不仅多次打退敌军进攻，还能布设地雷阻击日军坦克。但是中国军队总体上难以阻止日军攻势，日军在六月上旬攻占阌乡，兵临潼关。此时日本华北方面军竟不听第一军要求入关中的意见，把第三坦克师团调离，失去了驻华日军中最强的机械化部队支援后，第一军转入防御，为中国军队争取恢复、整顿反击创造了条件。日军B近潼关是在抗战期间关中最危险的时候，如果第十二军也投入攻击，或不调走坦克师团，形势对中国将非常不利。中国军队立即投入反攻，主要也是让40军作战，阌乡、函谷关、灵宝等地势险要的防线是日军攻击关中的重要前进基地，但是经过艰苦进攻作战的第一军没能阻止40军的39师收复这些地区。没有得到第十二军支援的第一军被迫放弃了这些战略要地，退守到陕县地区，潼关和关中地区终于摆TUO了日军直接威胁，日军退出这些战略要地对未来对关中作战造成的消极影响不久就显现出来。日军要攻取关中夺取陕北的油田，并且把那里的资源运出，必须攻占关中平原的粮食产区，再依托陇海线、同蒲线的运输能力运送石油和粮食，因此夺取关中平原是前提，中国军队收复潼关以东阻止日军入关中对中国的战略利益有巨大影响。日军不久再想攻入关中，却面对灵宝、函谷关地区险要的防线，无力再投入艰苦的争夺，次年日本第十二军、一军试图从上庸、商洛武关等地突袭西进，也未能奏效。
