1941年3月24日，一大早，张灵甫带着敢死队，统一装备美式汤姆轻机枪，直奔白茅山而来。19集团军总部也派出特务营前来助战。
炮火打击过后，张灵甫的敢死队齐声呐喊着冲向敌人的阵前，前者扑地，后者继起，这种阵势，就连他的对手大贺茂也生出对武士精神诠释者的敬意。临近白茅山前沿阵地时，日军阵前冒出几十股乳白色的雾气，顺风飘进了张灵甫的敢死队队列中。这是一种霉烂性的芥子气，人体接触后，皮脱肉掉，几个小时之后即会变成一副骨架。张灵甫跟在队伍的后面，见有战士倒下，正要撤兵，不曾想天佑中华，风向突变，毒气被吹进日军阵地。日军阵脚大乱，张灵甫的敢死队奇迹般得夺回了白茅山阵地。
至24日，日军在数十架飞机掩护下，向上高以东第74军阵地发动猛攻。中国官兵奋勇抗击，主阵地失而复得3次，为实施两翼对日军包围争取了时间。国民革命军第70军、第72军和第49军适时赶到主战场，由南北两面包围日军，形成了南北5公里、东西15公里的包围圈。
下午，发现身陷重围的大贺茂，向武汉的第11军司令官园部和一郎发出求救急电后,命令停止进攻上高,在原地固守待援。第11军司令部一边电告大贺茂寻机突围，一边急令第33师团驰援解围，并同第20混成旅团掩护第34师团撤退，并从九江调兵2000南下解危。已经返回安义的樱井省三则疲于奔命,再次奉命率33师团向棠浦进发,救援被围的第34师团。
25日，来自九江的日军援兵很快被19集团军拒止在塘埠、丘家街一线，惟有第33师团派出的215联队一路西犯至桥沙、村前圩，并冲开19师的防线，被围第34师团亦向东方向突围，两路日军得以会合。但19师随即又封住了缺口，所有日军再一次被困进了棠浦、官桥街这块方圆不足20平方公里的地方。
张灵甫率部下了白茅山，,来到已经变成一片焦土的下坡桥,指挥58师向官桥街方向大举反攻。只用了一个白天,58师就攻到了桥头。
26日，继续向官桥街攻击前进。日军为阻止58师的疯狂攻势,出动飞机并再次施放毒气负隅顽抗,所幸老天助了张灵甫一臂之力,天上电闪雷鸣,下起了及时雨,毒气在风雨中迅速消散,敌人的飞机也只得暂停出动。
26日夜，58师张灵甫部攻克泗溪，并协同第72军等部将日军压迫于官桥街、南茶罗一带。
两天内,58师在瓢泼大雨中会同友军连下毕家傲、古山、长岭、南茶罗,并将58师的迫击炮营拉上长岭,炮口指向泗水一线。
赶来救援的敌第33师团在27日突破了第70军19师在棠浦的防线,在官桥街西南与第34师团会合,一部到达毕家庄与大贺茂取得联系,准备掩护第34师团突围。
58师连续作战十余天,人困马乏,此时的张灵甫,全凭一种被称为“战斗欲”的病毒支撑着，所属部众也都感染上了这种病毒，杀红了眼。27日午前,张灵甫率58师攻占傲古山,并命令173团蔡仁杰部向官桥街外围阵地继续奋勇突进,于午后3时进抵离官桥仅约两公里处,准备直捣官桥街核心阵地,摧毁日军指挥部。在泗水河畔的日军受到蔡仁杰部的攻击后,显得有些混乱。第34师团在与援军会合后，强渡泗水,开始突围。58师部署在长岭的迫击炮营向泗水狂轰，直到炮弹耗尽。与此同时,172团则向毕家庄攻击前进。
日军的战史记述了该部撤退时的惨状:“第34师团带着数百名伤病员好不容易全部渡过泗溪,按兵团司令部、行李、独立山炮队、病员输送队、野战医院、后卫部队的行军序列,开始向土地王庙东进。如前所述,土地王庙在五日前已成为待命的敌第九师中枢阵地。另外,在侧背还有重庆军六个师并列尾随追击。入夜,雷电伴随着大雨,各部队在严加戒备下渡过黑暗的一夜。28日凌晨2时负责野战医院警卫的炮兵第八中队,终于在土地王庙村庄西端遭到优势的重庆军攻击,致使该中队在处理了火炮后,全体壮烈阵亡。”《锦江作战》(日本防卫厅防卫研究所战史室《中国事变陆军作战事》(第三卷第二分册)(田琪之齐福霖宋绍柏译)中华书局1983年)在这批被毁的火炮中,有一门炮身如今就成列在北京军事博物馆的抗日战争纪念馆内。
第34师团只顾自己奔命,倒霉的第33师团只得奉命为它作挡箭牌,在中**队的全力猛攻中,该师团陷入了弹尽粮绝的困境,连山炮队全靠空投弹药支撑。一天之后,该师团大部队也不得不渡河逃命。
28日凌晨,张灵甫率部追击到了官桥街,向第33师团留下阻击的数百名日军发起最后攻击,敌为掩护其主力向东冲围，拚死顽抗。战至中午，51师赶到，向敌右侧发动攻击。此刻57师已形成对官桥镇的包围，日军被迫退守官桥镇内，58师乘胜冲锋，与日军展开巷战，激战至下午，官桥镇全部收复，日军第34师团少将指挥官岩永切腹自杀，部下600余人大多战死。74军于当日收复了官桥、泗溪,开始打扫战场。70军、72军则继续向日军展开追击。
31日，中**队克复陷入敌手半月之久的高安镇，截断了日军东逃归路。
4月1日，日军以15架飞机掩护突围，向斜桥方面逃窜。中**队乘胜追击，收复了沿途城镇。
2日，中**队克复子西山、万寿宫、奉新等地，8日和9日又克安义外围的长埠、宋埠、平洲、弓尖各要点。
日军受到重大伤亡后撤回原驻地。双方恢复战前态势，会战结束。
在上高会战中，张灵甫继南昌会战后，腿部再度被炸断。蒋介石派飞机将他送往香港，请英国著名外科专家克雷斯特尔为他诊治。手术后不久，张灵甫在报上看到有战时军人不宜出国养病的新规定，不顾英国医生再治疗一月可以痊愈的劝阻，说军命不可违，军人死不足惜，何惜一足，伤未愈提前归队，灵甫从此留下残疾，走起路一跛一拐，人送外号“跛腿将军”。
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