在日军攻占紫金山第二峰的战斗中，日军伤亡非常惨重，第35联队大队长菅原梅吉和第9中队长野田耕夫都被打死。教导总队也付出了巨大代价，第2营营长欧阳俊负伤，连长张仲献阵亡，官兵大部牺牲。日军虽然勉强攻占了第二峰阵地，但教导总队又退守第一峰阵地继续抵抗。
第一峰是紫金山的最高峰，第二峰地势虽然比较平缓，但过了中马腰后山势急剧抬升，所以日军要攻下第一峰仍然很难。防守第一峰的是博守开的第1营。第二峰失守后剩余的第2营和第3营官兵也撤退到这里继续抵抗。
为迅速攻克紫金山第一峰，野田谦吾将联队本部移至第二峰，亲自到前线督战。他将第3大队配置到第2大队左翼，大致进入平行位置。准备两个大队合力攻取第一峰。
11日下午4点半，野田谦吾下达“步三三作命甲第130号”命令，第2大队从山脊一线进入北侧地区，第3大队从该地南侧进入。同时集中联队全部重武器投入战斗。中岛纯雄故伎重演，将一门炮运到山上，瞄准中国守军碉堡的射击孔实施炮击。为了消除日军火炮的影响，当夜中国守军发动夜袭，偷袭了联队炮兵中队，由于日军警戒，没有取得战果。
在第一峰的东侧下方是△371高地。教导总队在此构筑了两道防线。前方设置有一道2米高的屋檐状铁丝网，后方构筑了配备有迫击炮和重机枪的碉堡和战壕，准备进行最后的决战。
12日半夜，野田谦吾下达第131号命令。三浦俊雄根据命令向左侧第一线配属了第7中队第2小队，向右侧第一线配属了第5中队和一个机关枪小队。第6中队及第7中队第1小队、工兵小队作为预备队。
天刚蒙蒙亮，日军第一线部队已经展开完毕。日军将攻击重点放在第5中队正面。但是第二峰到第一峰的山脊如同马背一样狭小险峻，右斜面是数十米的断崖，左侧会受到中国 军队的侧面射击，展开队形艰难，所以只能将队形改为一列纵队前进。
第5中队在重火器的掩护下开始攻击，但是刚开始进攻，就遭到中方枪炮的猛烈射击，无法突破。三浦俊雄决定将重点变更为第7中队正面，将第2小队作为左侧第一线，将第1小队作为右侧第一线，展开对371高地的进攻。第33联队《战斗详报》有记载：“这期间，敌军也利用步枪、机枪的猛烈射击及投掷手榴弹等进行顽强抵抗。占领着顶峰东北方地区数道阵地的敌兵从顶峰北侧方向参加战斗，同时，从顶峰南侧地区后方陆续增加了敌军援兵，战斗逐渐激烈起来。”
日军匍匐攀登，破坏了铁丝网，之后在重机枪与火炮的掩护下继续接近中方阵地，在发射掷弹筒、榴弹和投掷手榴弹的同时突进中方阵地，将战果扩大至第二线阵地。与此同时，左翼第一线的第3大队在第一峰南麓的松树稀疏高地与中国 军队持续战斗。下午1点左右，第9中队率先突入阵地，与教导总队官兵展开白刃战，之后艰难地占领了该高地。
在占领371高地的战斗中日军付出了相当大代价。第3机关枪中队长菅野净大尉、第9中队长井源义澄中尉等多人负伤，接替井源义澄的福田寅造，以及三轮少尉、乙部准尉等被击毙。
13日下午2点左右，野炮兵第8中队将阵地转移到上五旗西南方高地。对中国守军阵地进行猛烈轰击，压制住了中国守军，日军才在日落前占领了△371高地。
在夺取△371高地后，第7中队随即向第一峰发起仰攻。该联队战史记述了激烈战况：“敌军不愧是精锐的教导总队的士兵，其抵抗无比猛烈，从山顶的碉堡和下方的水泥机枪掩体到处不断有迫击炮和机关枪的近距离反击，…一场激烈的战斗随即展开，紫金山上已成为双方肉搏的战场。”日落后，日军仍然无法取得进展。川户代理中队长经过观察发现左侧有中国守军的射击死角，但前面有两米多高的铁丝网，便请求派遣工兵队打开道路。工兵小队到达后，经过隐蔽的准备，用炸药炸开了突击道路上的障碍。与此同时，还请求炮兵实施火力支援。在炮兵将中国守军碉堡摧毁后，日军迅速展开突击。
下午5点半，第7中队已经攀登到接近顶峰，到6点完全占领了山顶，至此紫金山第一峰失守。
就在老虎洞、第二峰、第一峰阵地进行激烈交战的同时，南侧战线也进行着惨烈的战斗，主要在西山阵地展开。西山也称为邵家山，位于紫金山南麓，呈南北走向。其最高点在北半部，称85高地（日军称△84.6高地）。南半部也叫沟山，紧挨京杭国道，是中山门外的重要屏障。
按照教导总队部署，第1旅秦士铨的第1团和直属军士营、工兵营负责防守西山。当时索本勤的第1营从乌龙山交防后防御阵地不断变化，最后负责防守中山门，而周士泉的第3营又奉命支援红土山，所以第1团中真正防守西山的部队就只剩下姚明德的第2营。
姚明德接受任务后，将部队防御布署如下∶高振芳的第1连为左翼连，负责防守西山北端；王锷千的第2连为右翼连，防守西山南端及京杭公路一带，并派出一名排副带领强干的士兵数名，在孝陵卫西公路桥下涵洞内埋伏，以侧射火力消灭进入西山阵地前沿的日军；黄光朔的第3连为前哨连，守卫农业实验场一带前哨阵地，并向前方派出远程哨兵侦察瞭望。汤国俊的重机枪连在第1、2连间的隘路路口选择阵地；迫击炮排于西山中部高峰选修炮位；战防炮排于孝陵卫街西、西山公路旁选修炮位，阻击日军战车西进；营指挥所设在第1、2两连阵地中间后侧。
抗战期间，国 军标准的重机枪连为三排六班，每个班配备一挺重机枪。一个重机枪班大约在12人左右，包括1名枪长（班长），6名枪手（步枪手），4名驭手（负责重机枪拆分运输），一名传达（传令兵）。每个排配备一名驭长，顺带驮马8匹。战时重机枪连配有弹药班，含1名班长、1名军士、2名驭手、2匹驮马、4名预备枪手以及一名掌工（照看马匹），专门负责弹药运输和补给。连部还有军械军士、铁工军士、观测军士和鞍工军士等。此外有部分重机枪连还配备通信班，有士官、通信兵、骡马兵等共12人，携带2部电话机和电话线等装备。之所以要需要这么多后勤人员，除了重机枪本身质量大，附件多，还因为重机枪的弹药消耗量惊人。国 军普遍装备的二四式7.92mm重机枪理论射速为480～600发/分，一条250发的弹带在实战中根本打不了几分钟。国 军重机枪的弹药单日补充基数为2000发、每月（以10天为计算）基数为20000发。
重机枪连一般由营长根据实战情况配给前线步兵使用。由于一个步兵营只有6挺重机枪，通常2挺为一组，因此布置时只能放在阵地的三个方位上。
重机枪操作由班长负责，6名步枪兵负责保护重机枪安全。驭手兼任弹药兵，负责补充重机枪弹药以及辅助班长射击。转移阵地时，有由驭手负责背负机枪及脚架。
进攻西山的是大野宣明的第20联队，这支部队在翻越青龙山后先攻占了沧波镇，之后向运动场和西山一带进攻。
12月9日凌晨，天还没有亮，前哨连报告发现少数日军。9点左右，日军向前哨阵地两翼包抄进攻。姚明德命令前哨第3连抵抗后撤到五棵松一带抵抗。下午6点，姚明德命令前哨连撤到西山后方作预备队。
12月10日天刚蒙蒙亮，日军第20联队以步炮空联合作战的惯用战术开始发起新一轮的疯狂进攻，日军先升起两个观察汽球，指挥炮兵向西山、孝陵卫一线阵地发动猛烈轰炸，上千发炮弹在国 军阵地爆炸，一时间弹如雨下，声震山岳。炮轰停止后，日军以坦克开道攻击山上的机枪掩体，步兵紧随后面进攻。日军坦克自以为中国 军队无人阻挡，如入无人之地般的向前推进，没想到受到教导总队反坦克炮连的迎头痛击，日军两辆坦克被击毁，其余坦克看到中国 军队也有这种厉害武器，只好停止向前推进。
反坦克炮出现在第一次世界大战后期，反坦克炮原来叫战防炮，是一种直接对坦克和装甲目标进行攻击的火炮。主要用于对付2000米以内的装甲目标。自行反坦克炮是一种车炮结合，能够自行机动和发射的反坦克炮。可分为履带式、半履带式、轮式和轮履合一式等。按防护程序，又可分为全装甲式和半装甲式自行反坦克炮。1916年英军在第一次世界大战中首次使用坦克，德军用来对付坦克的主要武器是77毫米野战炮。一次大战以后，瑞典、德国等很快研制出了反坦克炮。当时坦克装甲厚度只有6——18毫米，37毫米反坦克炮发射钨芯穿甲弹足以穿透坦克装甲。
当时中国 军工技术落后，根本没有能力生产反坦克炮，那么国 军的反坦克炮是从哪里得到的呢？在20世纪30年代中期，中国和德国外交往来密切。当时，德国派出军事顾问团赴华帮助改革军队，中国也从德国购进大批军火以增强国防力量。在进口的德制武器中就有37毫米Pak 35/36型反坦克炮，为了保密和避免外交纠纷，当时假称为“瑞士索罗通造战防炮”。
1934年10月，德国 军事顾问团团长亚历山大·冯·法尔肯豪森将军拟定的中国 军队整编计划中就列入了装备37毫米反坦克炮的事项，而1935年春季德方向中国交付的军火中就包括了20门Pak 35/36型反坦克炮，每门炮配有1000发炮弹。根据当时的兵工署军械司司长徐培根将军回忆，到1935年12月，中国已经接收了60门Pak 35/36型反坦克炮，炮弹14.2万发。1936年，中国又追加订购了124门37毫米反坦克炮，其中104门为木质车轮、驮马牵引的Pak L/45型，20门为橡胶车轮、车辆牵引的Pak 35/36型，同时配套牵引车20辆，炮弹12.4万发。1937年7月全面抗战爆发后，德国继续对华交付武器，1938年5月迫于日本压力，德国中止武器出口，最后一批武器于8月交付，在此期间中国又接收了246门Pak 35/36型反坦克炮。中国购入的德制37毫米反坦克炮的总数约500门，炮弹55万发。
到全面抗战爆发时，中国 军队中成建制装备37毫米反坦克炮的部队仅有中央军的第36、87、88师（即著名的"德械师"），以及中央军校教导总队、装甲兵团和税警总团等少数部队，其中三个德械师和税警总团各编有1个4门制战防炮连，教导总队每团编有一个6门制战防炮连，装甲兵团编有一个战防炮营，下辖三个6门制炮连和一个弹药队。此外，国 军还建立了战防炮教导队，下辖三个营，每营编有16门反坦克炮，共计48门。陆军装甲兵团和教导队的战防炮部队均实现了摩托化，堪称当时中国 军队的精华。在中国 军队中，一个37毫米反坦克炮炮班由8人组成，包括炮长、炮手、装填手、2名弹药手和2名驾驶员或驭手及预备炮手。
却说日军坦克被国 军反坦克炮击毁两辆坦克 ，大为惊讶，想不到中国 军队也有这种厉害武器，为了预防全部坦克被击毁，于是命令坦克暂时停止前进。
日军用坦克作为掩护向西山国 军阵地发起猛烈进攻，国 军用反坦克炮击毁日军两辆坦克，日军想不到中国 军队也有反坦克炮，害怕其他几辆坦克被击毁，于是命令其他坦克停止前进，但是国 军反坦克连的官兵却不让日军坦克呆在前沿阵地，他们向日军发起猛烈反击，战斗到下午5点，枪炮声逐渐稀疏，日军攻势减弱，中日双方暂时形成对峙。由于战斗惨烈，反坦克炮连连长王峻和全连战士全部壮烈牺牲。
第二天，日军再次发动进攻，2营官兵凭借事先构筑的工事给日军造成了极大伤亡。当时，西山阵地前沿挖有宽而深的壕沟，壕沟边设有1米多高的有刺铁丝网。当日军步兵前进到壕边，2营官兵以密集的步机枪火力和手榴弹予以痛击，埋伏在公路桥下的伏兵又以猛烈的侧射，将进入阵地的日军歼灭。
日军不甘失败，又增加兵力向西山阵地两翼进攻。右翼的第2连连长王锷千牺牲了，营长姚明德命令3连连长黄光朔率领两排增援，并指挥右翼战斗。左翼连战斗同样激烈。重机枪连连长汤国俊受了重伤，此时日军已攻到西山脚下，情况万分紧急。姚明德亲临战壕指挥，大声急呼︰“弟兄们，要沉着打，把敌人消灭在阵地前，一个也不能让他们逃走。”官兵们士气大振，愈战愈勇，终将日军击退。
下午2点，西崎逸雄的第1大队占领了陵园邮局。傍晚，日军集中全部火炮猛烈轰击西山阵地，然后派第4中队发动突袭取得成功，青木国雄的第3大队看到第4中队的突袭取得成功，立即以第9中队、第10中队、第12中队为主力，对西山高地的南半部发起进攻，在付出极大伤亡代价后占领了南半部高地。
傍晚6点，第35联队的血达魔队松尾小队第6分队的八名先锋率先到达并占领了中山门东面2000米的西山84.6高地，在血达魔队长的带领下三呼“万岁”。
国 军教导总队的官兵不甘心重要阵地丢失，当晚进行了多次反击，试图夺回阵地。国 军利用夜色掩护逼近日军阵地，用机关枪向日军扫射。山上、山下敌我双方的炮弹雨点般落下，发出轰隆隆的爆炸声。弹片击中右边的树木，折断了树枝，战斗十分惨烈。
11日晚上，蒋中正通过顾祝同向唐生智发报，告诉唐生智如情势不能久持时，可相机撤退，图整理而期反攻。12日双方仍在主阵地激战。日军调来加农炮用穿甲弹直射中国守军阵地，一些机枪掩体被击毁。由于西山、孝陵卫阵地过于突出，加上光华门被日军偷袭，右后方受到很大威胁，所以秦士铨团长命令2营放弃西山阵地，后撤到卫岗、中山门一带阵地继续战斗。日军第6师团一部突入中华门但由于国 军的顽强抵抗，日军不能深入城内，其余城垣阵地还在中国 军队手中。负责防守中华门的第88师师长孙元良看到情势危急，带着部分部队向下关逃跑，虽被第36师师长宋希濂劝阻返回，但已经造成城内混乱。
教导总队主战场在紫金山，守军营长阵亡五员，伤亡殆尽。第五团邓文僖团长退出紫金山之后率部坚守最后阵地天堡城，桂永清总队长亲自到天堡城督战，宣称与阵地共存亡。官兵们都劝桂将军撤离，但是桂永清坚决不肯离开阵地。
