这一战，总部也下了血本，炮兵团的炮弹本很有限，然而第一天，就发射了山炮弹、迫击炮弹两百余发。也因为平时很少步炮协同作战，部队对步炮协同战术不熟悉，出现了不少误伤，伤亡最大的七七二团一营就有不少官兵中招，不过总的来说，炮火还是给予了敌人重大杀伤。

迫击炮主任赵章成早在红军时期，就已经是赫赫有名的神炮手，他亲自指挥一门迫击炮，以高射角从山下向山上射击，发发命中目标，在第一天作战时曾摧毁了敌机枪阵地，减少了攻击部队的伤亡和所遇到的阻力。1940年10月31日，上午十点三十分，迫击炮再显神威，一颗炮弹落在日军大队长冈崎的旁边爆炸，冈崎以及一名少尉、一名上等兵被当场炸死。

丧失了主将的日军并没有崩溃，在几个中队长的共同指挥下，他们连伤兵都投入了作战，直至下午一点，还在继续撑着，只是已放弃了大部分主阵地，缩到了一个狭小地段。

正当攻击部队要进一步行动时，柳树垴的日军为缓解关家垴方面的危机，开始猛烈的侧射火力，对关家垴的攻击部队进行射击。在这种情况下，攻击部队不得不从七六九团抽出两个营，以增援柳树垴方面的作战，前后又是十多次攻击，当然也没能攻下柳树垴敌核心阵地，只是压制其火力而已。

下午四点，日军援兵逼近，十六团团长谢家庆率部阻援，在用望远镜观察敌情时，被流弹击中前额，当场牺牲。在这种情况下，参加关家垴战斗的八路军各部若不及时撤离，均有被敌人包围的危险，彭德怀尽管心有不甘，但也只能面对现实，下令部队立即撤出战场。

是役，根据八路军战报，日军阵地遗尸两百八十具，其中含少尉以上军官七人，俘虏日军伤兵两人。日方战史确认是冈崎以下三百多人战死，生存者为二百零三人，其中关家垴剩下六十一人，柳树垴剩下一百四十二人。

关家垴之战，可以说是八路军、新四军在八年抗战中最惨烈的一次战斗。按照陈赓提供的数据，八路军总共伤亡了两千多人，当场牺牲就有一千多，各部中伤亡最大的是二十五团、三十八团和七七二团。至百团大战结束时，二十五团从原来两千五百人的大团，锐减到仅剩五百余人，三十八团的损失也与之接近，七七二团、十六团的伤亡则总共达到了一千六百余人。

“部队就是要放在铁砧上砸，好钢越打越硬，铁渣越打越酥！”彭德怀曾这样告诉陈赓。虽然在关家垴之战中，彭德怀确有意气用事和鲁莽的一面，但这一仗也确实磨练出了一批敢打硬仗、恶仗的精兵。

红军长征爬雪山，过草地，最后能活下来的老红军全都成了精锐中的精锐，因为自此以后，已经没有什么苦是他们吃不了的了。某种程度上，关家垴之战就像是八路军的长征，经此一役，什么硬仗、恶仗就都不用怕了，因为都没法跟关家垴比。后来关家垴之战在八路军中也确实成了一种仿佛图腾般的存在，打过关家垴，“冲过血阵”的干部战士，到了别的部队，人家都会高看一眼。

二十五团、三十八团在百团大战中的进步有目共睹，可以说自百团大战开始以来每打一次仗，就有一次长进，然而出现质的飞跃，也不能不说是在关家垴之战以后。虽然部队剩下的人不多了，但这些剩下来的人都成了骨干和种子，补充新兵后，连普通战士都可以成为班、排、连长，部队的作风也会被迅速带动起来。二十五团、三十八团经过补充后，全都变成了像十六团那样名副其实的主力团，薄一波是看着决死队发展起来的，他对此最清楚，认为自关家垴之战后，两个团“都打出来了，成为决死队战斗力最强的两个主力团”。

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