日军于三十日凌晨攻击八塘，中国军队被迫退守九塘。十二月一日，日军攻占高峰隘，中国军队一部退向北部的武鸣，第二00师则朝南宁东北方向的昆仑关转移。日军第五师团随即派中村支队从南宁出发，向中国军队第一八八师和第二o o师六o o团展开攻击。第二天，日军从八塘向北推进约十公里，占领昆仑关。日军留下松本大队驻守昆仑关，中村支队返回了南宁城。至此，双方在南宁以北的昆仑关、高峰隘附近形成对峙。
白崇禧的桂林行营判明，在南宁附近的日军不过是四个步兵联队、一个骑兵联队和少量的炮兵，日军的重武器和机械化装备因邕钦公路被破坏而没能及时跟进，因此决心实施反击以夺回南宁。十二月十六日，白崇禧发出“第一号命令”：多路配合，夺回南宁。当日，第五军军长杜聿明召集团长以上军官会议。会场设在茂密树林中的山洞里，洞壁上挂着桂南地区五万分之一军用地图，图上标示着敌我双方目前的态势。
杜聿明的第五军，源于一九三七年国民政府军事委员会决定组建的中国军队第一支陆军装甲兵团。在淞沪会战中，装甲兵团两个连的战车在上海汇山码头协同步兵成功阻击了企图登陆的日军。而在之后的南京保卫战中，杜聿明装甲兵团的战车几乎全部损失。一九三八年，随着中国进口武器装备的增多，国民政府军事委员会决定扩编装甲兵团为第二oo师，这是中国军队的第一支机械化陆军师，全师兵力约两万人，以杜聿明为师长、邱清泉为副师长，廖耀湘为参谋长。
这一年的年底，第二o o师扩编为新编第十一军；不久，新编第十一军番号改为第五军。第五军下辖：由装甲兵团扩充的第二o o师，师长戴安澜，部队驻扎广西全州；由抗战伤愈官兵组成的荣誉第一师，师长郑洞国，部队驻扎湖南零陵；由新兵组成的新编第二十二师，师长邱清泉，部队驻扎湖南东安。再次扩编后的第五军，军部直属部队有两个步兵补充团、两个战车团和装甲车搜索团，工兵团、汽车团、重炮团和辎重团各一个，全军兵力约五万余人，是中国陆军中装备最好战斗力最强的部队。
此刻，杜聿明的作战计划是：“我军以收复南宁为目的。决于十八日拂晓开始攻击，先行击破昆仑关、八塘附近之敌。以主力由公路两侧及其西南地区向昆仑关、八塘包围攻击，以一部迂回八塘敌阵地之右侧背，重点保持公路西侧，将敌压迫于七塘附近地区而歼灭之。”
具体作战部署是：以荣誉第一师担任正面主攻；第二oo师为总预备队，支援荣誉第一师的正面战斗；新编第二十二师从右翼迂回，向五塘和六塘守敌发起攻击，以截断南宁与昆仑关间的公路桥梁，孤立昆仑关，使郑洞国、戴安澜两师放胆作战；第二oo师副师长彭璧生率领两个补充团为左翼，进占七菇和八塘，策应正面攻击部队的行动；军直属重炮团、战车团、装甲搜索团和工兵团协助主攻部队作战；军汽车团和辎重团担任粮弹运输和伤员后送任务。
距南宁约五十公里的昆仑关，雄踞于古道中央，关口两山夹立，东面是六五三高地，西面是四四五和四四一高地，关隘险峻，易守难攻。日军占领南宁后，如要确保南宁，首先须保昆仑关。此时，凭险据守昆仑关的，是日军第五师团的第五骑兵联队和第二十一联队的第三大队（森本大队）。杜聿明的第五军将承担夺取昆仑关的任务。日本陆军和中国陆军中最强悍的部队，将在广西腹地的一个隘口撞击在一起。十二月十八日，昆仑关之战正式开始。
凌晨一时，第五军的重炮和山炮集中火力向驻守昆仑关的日军开始了猛烈炮击。日军在沉寂片刻后，也开始以炮火还击，双方的炮战持续了四十多分钟，日军的炮火最终被第五军的重炮火力所压制。接着，第一线的荣誉第一师和第二OO师官兵向日军的阵地发起冲击。日军无法抵挡如此猛烈的炮火轰击和步兵冲击，前沿很快被中国官兵突破。与此同时，第五军的两翼迂回部队也相继占领了五塘和六塘。
中国军队对昆仑关的猛攻，令日军第五师团师团长今村均大为吃惊。他立即命令步兵第二十一联队联队长三木吉之助，率领联队部以及一个骑兵分队、两个半步兵大队和机枪、炮兵中队，从南宁乘坐三十一辆汽车火速赶往昆仑关。一路上，三木部队强力突破中国军队的层层阻击，于三个小时后抵达九塘。但是，后尾的第二大队以及补给部队没能跟上，在六塘与七塘之间陷入中国军队的包围。
当夜，日军增援部队从九塘出发，向昆仑关攻击前进。十九日拂晓，三木吉之助突然发现，他的处境十分不妙。在高峰隘方向，中国军队正向他的侧后迂回；而在眼前，沿着邕宾公路两侧，中国军队四处出击，已将公路截成了数段。他的部队不但被割裂在数段公路上，关键是他们的后路已经没有了。十九日，围绕着昆仑关主战场，双方陷入混战中。
新编第二十二师占领五塘和六塘后，在五塘附近拼死阻击北援的日军，五塘失守后又退到六塘死守不退。第二o o师迂回部队控制着七塘和八塘。而在昆仑关战场，荣誉第一师三团在左翼向可以俯瞰昆仑关的高地猛攻，日军据守顽抗，三团伤亡惨重。关键时刻，连长杨朝宣和排长杨明率领一支突击队，携带刺刀和手榴弹冒死冲入日军阵地，与日军展开了血腥的肉搏，终将高地上的日军大部歼灭，控制了这个制高点。
在昆仑关口，双方反复拉锯，阵地数次易手，中国军队的炮火依旧猛烈，日军的补给被完全截断，只能靠空投弹药维持作战。与此同时，白崇禧部署的西路军在高峰隘方向，与从南宁出动的日军第四十二联队陷入血战；东路军则在日军后方的钦县、小董、大塘、蒲庙等地频频出击，大量地牵制着日军。