经过两天激战，攻击部队虽然接近昆仑关，但还没有真正攻占有利地形。为争取主动，杜聿明命令第一师左翼部队向653高地发起攻击。第一师官兵以高昂的 代价夺取了这场关系战役全局的战斗胜利，占据了极其有利的地形。随后，第一师又攻下了罗塘高地。此间，日军第二十一旅团急忙支援罗塘，在七塘附近被围困， 突围中日军伤亡惨重，旅团长中村正雄少将受重伤，不久不治身亡。
在进攻罗塘的同时，杜聿明命令二零零师向界首附近高地攻击，日军据险阻击，难以近敌。此时，中国空军出动4架战机支援，日军想当然地以为是自己的飞 机，急忙铺下信号板，标示自己所处位置，不料遭到沉重打击，乱成一团。二零零师官兵乘机蜂拥而上，一举拿下界首南段的制高点。至此，昆仑关附近的3个高 地，均被中国军队控制。
二零零师占领界首南端高地后，顶住了日军的疯狂反扑，但还有一部分阵地尚在日军手中。12月29日夜，杜聿民命令新编二十二师担任主攻任务，攻击尚存 的日军阵地，向昆仑关口推进。同时，叶肇第六十六军577团担负左翼配合，第五军第一师担负右翼配合。经过激烈争夺，攻击部队最终冲上日军阵地，守军大部 被迁，余者纷纷溃逃。据守昆仑关的日军见中国军队紧紧咬住溃逃日军，无法发动火力，顿时阵脚大乱。第五师趁势冲进昆仑关，扫荡昆仑关守敌，将其悉数全歼。 中国军队扫清昆仑关附近的残敌后，又继续向南追击。1940年1月3日，终于在九塘附近占据主要高地获得了昆仑关的外围屏障。至此，昆仑关战役取得了最后 胜利。
昆仑关战役历时20天，是自抗战以来中国军队取得攻坚战的首次胜利。日军此役有4000多名士兵丧生，100多人被俘，几乎全军覆没。当时日军的作战日记有这样的记载：“数日以来，当面之敌对我猛烈攻击，其战斗力为对华作战以来从未遭遇者，因此伤亡极重，实足寒心。”
