就在陈再道的冀南纵队挥师北上打援的同时，刘伯承电话令北边南下尾追之十七师让开大道，以诱迫彭毓斌所部撤逃。而彭毓斌占据老爷山、磨盘垴以及山下以北村庄之后，就地修筑工事，抵抗八路军的攻势。老爷山四条山梁，主峰老爷岭在东北面。老爷岭山顶有一古庙，庙旁有清泉长流，扼守老爷巅便是守住生命线。彭毓斌将两个师兵力扼守老爷岭和磨盘垴两个制高点，将主力部队摆在老爷山至榆林镇一线，与八路军展开决战架势。
部署完毕彭毓斌便发电报给阎锡山：“长治周围，五城尽失，已无必要花大代价强行突破。我军现在已占领老爷山、磨盘垴一线，共军主力北上阻击，已被我军牵制三分之二，余者不足以下长治，史泽波可保无虞。共军强行进攻老爷山等地屡遭惨败。共军意在速战速决，不敢久峙。因此，拟在老爷山、磨盘垴吸住共军，然后逐次消耗，使其疲惫，捕捉有利时机歼灭之，以期中局取胜。”阎锡山在太原接到彭毓斌报告，心中大喜，拍案叫好，对手下人说道：“共军主力已被我南下大军牵制在老爷山、磨盘垴一带不能脱身，长治城是保住了。待敌疲惫之后，我大军两路夹击，共军必败无疑。还是咱老彭有道道。”
但是彭毓斌并没有想到自己虽然居高临下，依山挖构工事，并将大炮隐于山上，本以为万无一失。特别是老爷山主峰老爷岭在东北山梁之北，山顶只有正面一条路可通，背后是百丈绝壁，按守军说法，山后绝壁“万难通行”。因此晋绥军第四十七师首先抢占老爷山之后，将粮食弹药运往山顶古庙，派一个加强排看守，真所谓是一夫当关万夫莫开，补给线，供水线得以确保，然后将全部主力顺推至半山腰险要地带构筑工事，自认为布阵天衣无缝，滴水不露。
八路军从三面发起进攻，山上只要有序射击，便可以阻敌于山腰。山地不利土工作业，仰攻又甩不上去手榴弹，八路军士兵每只枪平均不到十发子弹，拼刺刀又不能接近敌阵地，其强项一项也发不出来。但没有想到的是八路军十月四日夜从山后绝壁登上老爷岭，一举夺取了晋绥军第四十七师的水源和补给中枢。面对断水绝粮的困境，老爷山上晋绥军第四十七师兵败如山倒，只有一小半人马逃回西窳一带与主力会合，其余被八路军包围，缴械投降。
老爷山失守、磨盘垴吃紧，令彭毓斌在指挥部急得团团转，这时候，才感到形势不妙，有被八路军军全部吃掉的危险。在一番思想斗争之后，彭毓斌只能决定马上回撤沁县。他把几个师长叫到跟前说：“我们被共军包围，老爷山已失，我们现在是自救不暇，救长治已不可能，若再拖下去有全军覆没之危险，我决定放弃阵地，回撤沁县。”他又告诫各位师长说：“我们后退命令一下，士兵们有可能争先退走，造成混乱，给共军以可乘之机。这次回撤应稳扎稳打，给共军造成我军要继续南下之假象，所以我命令四十四师、四十九师在作好回撤准备之同时，继续向南佯动，后勤补给部队先行撤退，待后勤部队撤退后，你们可将后卫作前锋，有秩序向北撤回。只要撤至虒亭以北，便是胜利。但咱们有言在先，如果哪一部分不战自乱，惟长官是问，到时，别怪我不客气！”
命令发出之后，第四十四师，第四十九师马上着手准备，将部队调整，大部分作继续南下姿势，指挥部人员和辎重部队则回头北指，等待撤退命令一下，便可向北撤退。这样的安排看似合理。但事实上毓斌将指挥部、后勤部队带上大路朝北撤退之后，下达全军后撤的命令。第四十七师余部在先，随后第四十四师，磨盘垴六十六师陆续撤离，但后撤部队刚离开阵地，便被八路军的太行纵队陈锡联所部咬住不放。
而争先逃命的各战斗部队终究多是轻装步兵，很快便赶上了先行一步的辎重部队挡道，炮兵、后勤战斗部队混搅在一起，一时之间序列杂乱，撤退行动再次受阻。彭毓斌只好临时改变行动序列，将战斗部队调前，辎重、后勤等人靠后，部队才有了些秩序。得到调动完毕，彭毓斌才自带指挥部一百多人及下属部队两千余人直奔虒亭。
到了虒亭，彭毓斌长长出了一口气，他想起当年曹操兵败赤壁，败走华容道的故事，觉得与自己略有些相象，不禁对部下说：“要是共军在虒亭埋伏一支部队，我们就全部完了！”但他又想到大队人马还在虒亭浊漳河以南三面受敌，不尽快从漳河北渡，则危险未除。但由于联系已断，他只得派人到后面传令，催后撤部队千万不要和八路军纠缠，快速渡浊漳河以脱离险境，然后自带一干人马直奔沁县去了。
事实上以彭毓斌的智慧其实早应想到刘伯承的“围三阙一”要的不是晋绥军的不战而走。长于运动战的八路军又怎么可能放弃浊漳河天险阻击的机会呢？彭毓斌率领的指挥部刚刚渡过浊漳河，八路军第三八六旅的阻击部队便抵达了浊漳河西岸土落村。土落村位于虒亭西北，是个制高点，为北上沁县惟一通道，晋绥军只有从这里渡过漳河，才能北上窜逃。
但可怜两万多晋绥军步兵于十月七日天亮抵达在公路两侧的洼地上，像蚂蚁一样涌向漳河口。他们原以为八路军三面包围，北面是个空隙，可以放胆北进，不料先头部队刚要接近河口，前面响起猛烈的枪声，八路军已控制了河口，切断退路，先头部队只得被迫后退。这一打击，不啻于心头一刀，对后撤的晋绥军造成不小的心理压力。
初期晋绥军还试图组织进攻，撕开一个突破口。以猛烈的炮火轰击八路军河口阵地，步兵也在炮火掩护下向八路军阵地发起冲锋。但八路军扼守河口，寸步不让。又看准晋绥军军不善短兵相接，当其发起冲锋时，八路军以连为单位发起反冲锋，以血肉之躯和敌人绞杀在一起，一次次白刃格斗，从早晨到中午，从中午到下午，虽然双方均伤亡惨重，但腹背受敌的晋绥军土气一次比一次低落，当第八冲锋被打退之后，再也组织不起像样的冲锋了。到了傍晚，太行、冀南纵队以及张祖谅所率太岳纵队主力，分别从左中右三个方向围拢上来，晋绥军已无斗志，像没头苍蝇一样到处乱窜，包围圈越缩越小，指挥系统失灵，士兵们争相逃命，纷纷缴械投降。连民兵游击队和当地群众参与到了扫荡溃兵的行列，因此战斗只进行了三个小时，晋绥军两个军八个师便土崩瓦解。第四十九师师长张宏、第六十六师师长李佩膺、第四十六师师长郭溶、炮兵司令兼副总指挥胡三余等二十七名将领及麾下上万官兵全部被俘。
第七集团军副总司令彭毓斌带两千余人逃回沁县，他的头部负伤，一面让人扎伤口，一面在电话里向阎锡山报告战败经过，但是他刚喊了两声：“阎长官，阎长官……”便遭到了阎锡山厉声呵斥：“阎长官，阎长官，你喊阎王老子去吧！我的彭副总指挥，你说中局取胜，中局取胜，全是鬼话！你畏敌怯战，弃军先逃，两万之师毁于你手，该当何罪，你自己惦量！”
这些话说的彭毓斌悔恨羞愧交加，当即拔出手枪，不等阎锡山说完，便对着脑袋开了一枪。阎锡山还要训斥，听见电话里一声枪响，知是彭毓斌自决了，撂下电话，把手按在头上坐了好一阵。彭毓斌的增援部队溃灭，长治的守军便也插翅难逃。长治守军待援无望，于8日向西突围，企图逃回浮山、翼城。晋冀鲁豫区太岳部队跟踪追击，至12日将其歼灭于沁河以东之将军岭、桃川地区，投入上党战场的晋绥军全军覆没。这不下四万人马不啻于剜了刚刚重掌山西的阎锡山的心头之肉。但是彭毓斌的自戕却更令他悲感失落和悔恨。
晋绥军全盛之时，也是人才济济，有所谓“十三太保”之称，自抗战以来竟将星寥落。商震、徐宗昌、傅作义、陈长捷先后出走，李生达、李服膺又死于自己的枪下。可谓“十去其七”。而今天彭毓斌又兵败自杀。阎锡山更感愧疚。毕竟彭毓斌一直对自己忠心耿耿，驰援长治更是不遗余力，自己盛怒之下对他的苛责言辞也未免太过激烈了一些。
一向迷信的阎锡山只能将这一惨败归结于天意，他问参谋：我下令增援的时候是不是有一群乌鸦在院里的大树上叫？参谋说好像是有乌鸦在叫。阎锡山听了，便捶足顿胸，后悔不迭地说：“好糊涂呀，乌鸦是祸鸟，明明有乌鸦在树上叫，还派兵去增援！结果是史泽波没有救出来，连彭毓斌带去的两万人也白白地送给了**啊！”