既然這裏也有中國部隊駐守，隻有靠硬撞了。10月4日拂曉，日軍出動約一個聯隊的兵力，向一五三旅三〇六團發起猛攻。
戰鬥越打越激烈，到中午時候，三〇六團已有兩名營長負傷，三名連長陣亡，餘下官兵傷亡過半。該團戰鬥力也由此大損，唯一還能堅持作戰的僅剩下一個殘缺不全的三營。
張古山地形複雜，戰線較寬，沒有哪一個區域不需要防守，三營堵住這裏堵不住那裏，漸顯不支之勢。王耀武聞報，趕緊讓師部準備後撤，以免日軍迂回成功，把五十一師的指揮核心給抄掉。
此時李天霞已被免去一五三旅旅長一職，專任五十一師副師長，旅長職務由張靈甫升任。見情況緊急，張靈甫親自趕到前線督戰，發現戰鬥兵員不足，他就將各營殘兵和雜役兵集中起來，由一名營附統帶，交給三營使用。有了這部分多出來的人手，三營才得以堵住敵人的進攻，戰局也再次得以穩定。
日軍一〇六師團連續對五十一師所在的張古山陣地猛打猛衝，不僅沒有撈到好果子吃，還遭到極大傷亡，第二天隻得掉轉方向，朝五十八師所扼守的萬家嶺防區進行突破。
10月5日，日軍一〇六師團以飛機為掩護對五十八師陣地發起進攻。也就從這一天起，在日軍第十一軍總部的調度下，日機每天都要趕來萬家嶺轟炸掃射，為一〇六師團助陣打氣。
中國前線部隊沒有防空設施，所以日機敢於低飛，飛機每每都是擦著樹梢飛過去，其飛行員更是張狂到一邊側飛，一邊從駕駛艙裏伸出頭來，以觀察地麵目標。當時防空的唯一辦法，就是設置防空監視哨，監視哨一看到飛機或聽到飛機的轟鳴聲，立即吹哨子報警，但這種單純依賴肉眼和耳朵來觀察的辦法並不是很有效。最常見的情況是，哨音剛落，人還沒到達隱蔽場所，日機已飛臨頭頂。
中方的戰鬥指揮所頻繁地遭到日機襲擊。有的幕僚人員來不及跑出指揮所，隻好姑且躲到床板下麵，結果日機一陣掃射，作為指揮所的小茅屋被打成了漏勺，滿屋子都是嗆人的硝煙味。
指揮所尚且如此，前沿陣地更不用說了，隻有在兩軍相距較近的情況下，日機才不敢隨便投彈和掃射。五十八師一七二旅充分利用這段空隙，以極其頑強的防禦頂住日軍的多次猛攻，確保了陣地牢牢掌握在自己手裏。
雖然日軍一〇六師團仍舊沒能從萬家嶺突得出去，但是他們還是從當天的作戰中得到了一點啟發。
從徐州會戰開始，日軍就大量采用毒氣戰的方式來突破守軍防線。為了掩人耳目，他們內部稱之為“特種戰”，毒氣彈也不叫毒氣彈，叫“特種煙”，施放毒氣彈的迫擊炮筒（毒氣筒）則是“特種發煙筒”。
日軍一〇六師團在出發時沒有忘記攜帶毒氣裝備，戰後日軍陣地上的毒氣筒和防毒麵具俯拾皆是。不過要采用這種陰狠戰術也有許多限製條件，其中極為關鍵的一條就是使用者需掌握當地的氣象和地理狀況，若是風向或地形不對，很可能弄巧成拙，讓自家部隊先遭殃。
一〇六師團在萬家嶺顯然缺乏這一條件，因此毒氣彈沒能派到太大用場，這時候他們就不得不更多地依靠飛機來幫忙。
10月6日，日機參戰更加活躍，並把空襲重點集中在張古山，以配合兩千餘名日軍步兵發起的攻擊。張古山的表麵差不多已被炸彈和炮彈給刨平了，要找到一塊可供隱蔽的樹木都很不容易，加之對空襲的準備不足，很多冒死抵抗的官兵當場罹難，張古山北部陣地也由此陷落。
攻占張古山，讓日軍一〇六師團在困頓中產生出一線新的希望。如果他們能夠再把五十八師的萬家嶺防區給拿下來，戰局無疑將發生重大轉折，沒準還能翻盤呢。
雪中送炭
翻盤，翻盤，翻盤。同一天，日軍一〇六師團以步空炮聯合的方式，向五十八師陣地發起“錐形突擊”。
日機在張古山的作用，並沒有能夠在萬家嶺得到複製。五十八師已有防空襲的準備，日機一出現，官兵便找樹木和壕溝進行隱蔽，等日軍步兵接近，日機無法投彈時，再進入陣地反擊。
阿特麗在進行采訪時，發現負責護送的中國士兵的步伐都非常快。在跟著他們爬過許多山頭後，阿特麗不得不承認：“中國士兵比世界上任何國家的士兵都善於走路。”某種程度上，這也是被逼出來的，因為如果動作不快，他們就無法適應這種沒有防空保障的山地戰。
五十八師真正麵臨的問題，是人快打光了！
自整師投入萬家嶺作戰以來，五十八師已斃傷日軍三千五百多人，但全師也傷亡殆盡，不少連隊的連排長已全部陣亡，有戰鬥力的士兵僅剩五百人。