这时，程允和不断向前沿阵地增兵，指挥清军向日军猛扑过去，随着清军兵力的增加，日军骑兵陷入劣势，秋山好古发现清军兵力还在不断增加。估计清军已经有五六百人。日军准备抢先占有利地形。程允和部队已到达土城子以西地带，与姜桂题部形成钩状，把日军包围起来。
清军吹着军号，擎着赤黄色的旗帜，向日军发起进攻。清军人数甚多，西山步兵约700、骑兵200，前面步兵约1000多，左边步兵约500、炮5门，骑兵50，各高举旗帜冲向日军。
双方交战不久，清军就将浅川敏靖左臂击伤，并将其从马上击落在地。浅川敏靖所率领的第二中队也随之被击溃，日军伤亡者众多，饭尾金弥被击毙，木村松源等被击伤。
秋山少古率领的骑兵在人数上处于劣势，根本就无力抵挡清军的进攻，清军居高临下向日军猛烈射击。然后逐步将日军分隔包围各个击破，秋山好古无力抵挡，见势不妙不得不命令日军部队向北突围，去请求救兵支援。清军紧追不舍，如潮水般涌向日军，呐喊声如万雷齐鸣，子弹如雨点般纷飞，硝烟弥漫。战斗十分激烈，
然而，秋山好古的先锋队刚撤退到土城子东面的周家屯时，忽然遇一支雷霆纵队的侦查队突击队迎头打过来，突击队员的密集扫射，使先锋队又陷入困境。秋山好古派快马向旅团部求援。
日军第三联军丸井正亚少佐接到求援报告，立即派遣步兵第三中队前往土城子增援。
雷霆纵队第三支队的先锋部队侦查连得知清军在土城子一带与日军作战，因为还没有与清军取得联系，于是前往侦查，看到一队日本鬼子在行军，带队的连长命令立即投入战斗，向鬼子的队伍射击。
增援的日军步兵第三中队突然遭到进攻，顿时楞住了，日军中队长命令分散抢占有利地形，与雷霆纵队侦查连作战。日本鬼子的步枪哪里能与雷霆纵队的自动步枪和机枪相比，被密集的子弹压制的不敢抬头。战士们投出手雷，接连不断的鬼子群里爆炸，造成了伤亡。日本鬼子互相掩护着撤退，不但没有能完成增援的任务，还扔下几具尸体。
一个中队的骑兵鬼子赶来救援，与秋山好古的部队里应外合，秋山好古的先锋队拼命突围，扔下多具尸体后才冲出包围圈，在前来支援的日军步兵的掩护下仓皇撤退。
川崎三郎、亘治助被清军击毙，大森多吉被击毙，中队长浅川敏靖就被清军从马上击伤在地剖腹自杀，中岛安太郎、阿久津舍吉、铃木善二郎、田边口等被击伤。清军的旗手举着蓝色旗子，其势难敌。四面都是清军，枪弹像倾盆大雨一般。
这时原在东路周家村附近布防的拱卫军，已经在徐邦道指挥下从东北沟方向逼向日军步兵第三中队左侧包围，日军见势不妙，便向许家窑方向突围。不料第三中队刚行至长岭子，从周家村方向赶来的徐邦道部50名骑兵已截住日军退路，将其马队割成数段，重重包围。日军又急派第二、第四两个步兵中队增援。
雷霆纵队第三支队在前往土城子的途中，与日军增援的部队第四中队遭遇，双方在长岭子展开激战。炮兵在长岭子南2公里东南高地上架起大炮，向日军猛轰，步兵和装甲部队向日军两侧侧发起进攻，声势浩大。
日军支撑不住，四处逃窜，左突右冲，向来路双台沟方向狼狈溃逃。雷霆纵队乘胜猛追，日军无力再战，甚至来不及收拾尸体，就向营城子方向败走。直到下午日军部队的炮兵赶到进行火力支援。
此时恰逢坂井中尉向其他部队提供补给时路过，看到友军被围不利，立即发出攻击敌炮兵阵地的命令，抑制住雷霆纵队的攻击，秋山部队趁机逃出重围。死亡计有步兵第一大队第三中队小队长中万德次以下官兵12人，负伤步兵中尉三谷仲之助、骑兵大尉浅川敏靖以下32人，死伤共计44人，另有两人死伤不明。
徐邦道率清军骑兵乘胜追击，日军溃退到双台沟以北，侦察兵报告长岭子方向有日军活动迹象，清军命令停止追击逃跑之敌，
徐邦道的拱卫军在土城子阻击战中有进无退，气势如虹，使日军苦苦支撑，不仅使数名指挥官殒命，而且险些成“袋中之鼠”，这是日军自与清军交战以来未曾遇到过的狼狈状。
山地元治率领左翼的第二旅团，秋山好古少佐率领的先锋骑兵大队的日军边撤退，边往后看，如惊弓之鸟，正在仓惶逃离的时候，又听到马队喊杀的声音。