這樣，雙方的爭奪戰，集中到諒山周圍。中國軍隊在諒山－同登一線前集中五萬餘兵力。進入三月，中國軍隊發動猛烈攻勢，意圖重新攻占同登。這次攻擊，與一星期前相比，中國軍隊大口徑火炮數量增加了一倍。而且，除122毫米炮，130毫米炮之外，重點增加配置了威力強大的152毫米重炮，這成為同登之戰勝負的關鍵。3月1日，中國軍隊一百數十門重炮同時開火，以熾烈的火力猛轟越南軍隊陣地。與此同時，中國軍隊投入裝甲部隊展開進攻，其威勢意在一舉攻陷這座越南築有國防工事的要塞。同時投入戰鬥的中國軍戰車多達一百輛以上，其型號主要是裝備85毫米火炮的62式輕型坦克。新增援的中國部隊不顧傷亡，向越南軍隊陣地發起強攻，兵力不足的越南軍隊終被壓倒。僅僅半天，同登就重新落入中國軍隊手中。
此時，越南人民軍部隊作戰弱點暴露了。盡管前線的越南軍隊作戰英勇，但是到決定撤退的時候卻發現已經貽誤了時機，無法撤出。該軍的多個部隊，出現了大量戰死者和被俘者，越南軍的戰車部隊由於配屬給各個步兵部隊，也無法集中起來作戰，被各個擊破。
由於中國軍隊攻勢規模超過越南軍方預期。因此，緊急從河內征調擔任首都警戒的最精銳的部隊，以機降的方式增援諒山了。機降後，他們的陣地建立在諒山以南。不過，由於中國軍隊最終沒有向諒山以南發動攻勢，這支最精銳的部隊並沒有參戰。
中越戰爭最激烈的日子，是1979年2月27日到3月2日間的四天。3月1日，越南軍308師投入諒山戰鬥，由於這個師號稱“無敵師團”，因此被中國軍隊認為是越軍戰鬥力最強的一個師。就在這一天，越南政府公布“已消滅中國軍隊兩萬七千人”，而中國發布的消息稱雙方的損失比例為10：8，越軍10，中國軍8，但並沒有公布具體傷亡數字。戰鬥以諒山為中心激烈進行，雙方都動用了大口徑火炮進行炮兵戰。這種炮戰對城市破壞極大，許多越南設施變成瓦礫。
3月1日，中國軍隊突入諒山市內，越軍死戰不退，依托各個據點進行巷戰。兩國步兵則分散成小的單位，展開對於若幹據點的爭奪。圍繞著許多很小的據點，雙方都拉鋸般進行著攻占和死守的慘烈戰鬥，直到一方把血流幹。由於作戰已經在距離首都河內僅僅150公裏的地方展開，越南方麵十分緊張。與之相對，中國方麵也派出了曾參加朝鮮戰爭的許世友與楊得誌。
由於戰鬥規模遠遠超出序戰時的預測，這場戰爭進行到如此程度，引發了周邊各國不同的關注和參與。
中越兩國交戰，鄰國中最大的變數也是最受關注的是前蘇聯的態度。3月2日，前蘇聯發表聲明，對中國表達了強烈的非難。稱“如果戰爭持續發展，將向越南派出誌願軍”。也許是為了增加對中國方麵的壓力，表達對越南的支持。此時，多艘前蘇聯海軍戰艦在中國和越南均表示擁有主權的西沙群島海域出現。
中國海軍斯不甘示弱，派出十餘艘炮艦和魚雷艇進入同一海區，與前蘇聯艦艇對抗。與此同時，美國第七艦隊的艦艇也駛入東京灣深處，舉行技術含量很高的演習行動。
在這種情況下，軍事專家認為美蘇兩個超級大國介入戰爭的危險驟然增加。在這種情況下，前蘇聯采取的實質性措施是緊急向越南提供技術支援，並隨後運送大量戰爭物資，包括武器，彈藥提供援助。3月的最初三天，諒山省省會諒山市的戰鬥達到了白熱化。攻防雙方均損失慘重。根據越南方麵的報道，由於308師投入戰鬥，強攻已控製市區的中國軍隊，僅僅3月1日一天，就有2470名官兵戰死。3月2日，越南軍曾發動反擊，一度奪回大半個諒山。中國軍隊立即調兵增援，戰鬥形勢重新逆轉。這時，戰鬥最激烈的地點，是在諒山西北方向，進攻一方是中國軍隊的兩個師，防禦一方是越軍的一個師。雙方的戰鬥持續到3日深夜，中國軍隊終於從這個方麵突入諒山市區，到天亮的時候，整個諒山都已經陷入中國軍隊之手。
同一天，越南方麵宣布從諒山撤退，越南人民軍向通報的原因是越南軍所麵對的中國軍隊兵力過於雄厚。向該市發動攻擊的中國軍隊，兵力總數達到兩個軍，六個師，在戰場上的人員已經達到超過六萬名。而從河內派出精銳部隊機降增援諒山，時間就是在3月3日，這一天中國軍隊再次發動攻勢，一度出現在諒山以南。3月4日，諒山陷落，參戰的越南軍三個師團撤出戰鬥，均遭到重大損失。中國稱，中國軍隊攻克了越南境內的軍事要塞諒山市，殲滅了沙巴地區的越南軍隊。並於3月5日宣布已達到目的，開始自越撤軍。越南宣布全國總動員令，誓言抵抗到底，越軍自柬埔寨與老撾抽調回國的正規部隊正式抵達，已就戰爭態勢準備就緒。前蘇聯開始增兵中蘇邊界，中蘇大戰一觸即發。據越戰老兵回憶：當時國內深恨越南反水，於是軍方從國內運去了一火車皮的炸藥，將高平、諒山的所有工廠近乎爆破完畢。此二處的工廠大量為中國援建。