博再也不敢拖延。他当即下令：“全军西进！目标娘子关，驰援忻口！”七万大军兵分三路，沿着平汉铁路西侧的公路火速推进，列车、汽车、马车日夜兼程，朝着山西方向疾驰而去。士兵们深知此战的重要性，个个精神抖擞，武器装备也早已擦拭一新，随时准备投入战斗。
十二月二日夜，汤恩博的第二十军团抵达娘子关外围。汤恩伯立刻与阎锡山的指挥部取得联系，确认了日军右翼的部署情况——日军右翼由独立混成第二旅团防守，兵力约八千余人，部署在忻口西南的辛庄、大白水一带，构筑了简易的防御工事，以为中方无力发起侧翼进攻，戒备相对松懈。
“命令各师，连夜展开部署！明日拂晓，发起总攻！”汤恩伯站在娘子关的山头上，望着远处日军阵地的灯火，沉声道，“此战关乎忻口战局，关乎华北全局，只许胜，不许败！”
十二月三日拂晓，天色未亮，忻口西南的辛庄、大白水一带突然响起震天动地的炮火声。汤恩伯的第二十军团集中了16门105毫米榴弹炮，八十余门75毫米榴弹炮、一百二十余门82毫米迫击炮，对着日军独立混成第二旅团的阵地展开了地毯式轰炸。炮弹如同雨点般落下，日军的战壕被填平，碉堡被炸毁，铁丝网与地雷区在炮火中化为焦土。
“敌袭！是中央军的炮火！”日军士兵从睡梦中惊醒，慌乱地冲向阵地，却被密集的炮火炸得人仰马翻。独立混成第二旅团旅团长佐藤少将接到报告后，大惊失色：“怎么会有这么多中央军？他们不是在邯郸吗？”
炮火持续了一个小时后，汤恩博下令发起冲锋。七万大军如同潮水般冲向日军阵地，士兵们端着先进的德式步枪，在坦克的掩护下，奋勇向前。日军的抵抗显得苍白无力，他们的装备虽精良，但兵力悬殊，且毫无防备，很快便被中央军突破了第一道防线。
“守住阵地！给我反击！”佐藤少将挥舞着军刀嘶吼，亲自率军反扑。但中央军的火力太过猛烈，重机枪、迫击炮形成密集的火网，日军士兵成片倒下，反扑一次次被打退。佐藤少将看着阵地节节失守，士兵伤亡惨重，心中满是绝望——他根本没想到，中方会突然从侧翼发起如此大规模的进攻。
到上午十时许，日军独立混成第二旅团的防线已全面崩溃，士兵们纷纷向后逃窜，佐藤少将在突围中被中央军的流弹击中，当场毙命。
“报告汤军团长，日军右翼防线已被突破！我军正乘胜追击！”参谋官向汤恩博汇报，语气中满是兴奋。汤恩伯点点头，下令：“继续
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