二战区和第五战区军以上长官军事会议，研究中条山作战计划，竟然将敌情与“匪情”（诬指八路军）相提并论。日军进攻迫在眉睫，一些国民党将领仍在讨论如何瓦解共产党。直到20日召开第二次会议，何应钦才提出，为了确保中条山，第一步应由各战区派出部队，从北向南、从东向西，配合中条山阵地右翼各部，合力攻取高平、晋城、阳城和沁水之间的地区；第二步与晋西军及阎锡山第二战区和朱绍良第八战区协力包围晋南三角地带的日军；而最低限度的目标也要保住中条山。
卫立煌将第一战区的主力做了如下部署：裴昌会军驻守河南北部重镇济源；赵世铃的第四十三军驻守山西南端的垣曲；高桂滋的第十七军驻守绛县；唐淮源的第三军和孔令恂军驻守闻喜和夏县，武士敏的第九十八军驻守董封镇一带，范汉杰军驻守高平。另外四个军部署在太行与太岳地区，作为策应。
5月7日下午，多田骏指挥六个师团另两个独立混成旅团，在航空队支援下，从东面、北面和西面向中条山地区发动全面进攻。
在东线，日军出动三万多人，原田师团主力和田中师团一部，加上佐久间为人骑兵第四旅团一部，由张岚峰和刘彦峰的伪军配合，沿道清路西段分三路向济源和孟县进犯。在西线，日军也出动三万多人，安达师团主力和井关仞师团一部，加上若松平治独立混成第十六旅团，从闻喜和夏县东南向张店镇进犯。在北线，日军也有三万多人，清水师团及池之上贤吉独立混成第九旅团，采用中央突破的闪电战术，从横岭关方面向横垣大道西侧猛攻。在东北线，日军出动一万多人，樱井师团一部及津田美武独立混成第四旅团一部，从阳城方面向董封镇一线攻击。
中条山，中日伤亡比二十比一（3）
日军分兵合击，袭击中国军队的通信联络和各级指挥部，用重兵攻占各交通要点，切断守军联络，各个击破，封锁山口和渡口，逐步紧缩包围圈，企图达成合击目标。
其实，第一战区在会战开始前就已经发现日军的企图，并且电令各部以交通线为目标，加紧游击破袭，阻挠日军的攻击准备和兵力集中。但是，卫立煌在会战开始前奉命赴重庆述职，战区主帅缺席，而在洛阳视察军务的何应钦又调整了第一战区原有军事部署，上述命令未能有效组织实施，中国军队被动至极，致使会战开始的第二天，战区各部队仓促应变，分别与各路来势凶猛的日军交战。
中条山西侧是日军主攻方向。孔令恂军和唐淮源军在这里防守。孔令恂军下辖王治岐的第一六五师和王竣的新编第二十七师，唐淮源军下辖李世龙的第七师和寸性奇的第十二师。曾万钟集团军直接指挥的公秉藩第三十四师也在这里。7日下午，日军分多路纵队，发动广正面攻击，集中机炮火力，用飞机诱导步兵，猛攻中国守军的阵地。另派一支部队，佯攻王治岐师阵地，牵制守军。
8日凌晨，日军突破张店以东王竣师的防线，切断了孔令恂军和唐淮源军的联系。王竣师溃退到曹家川和太寨一带，王治岐师也退到这里。日军挺进纵队乘隙而进，当晚占据茅津渡以下的几个渡口，推进最远的一支日军到达平陆、垣曲和夏县的交界处。
9日正午，孔令恂军遭到日军便衣袭击和飞机轰炸扫射，进一步溃败。在一场混战中，王竣和他的参谋长陈文杞，以及王治岐师的姚汝崇营长等多名军官，在太寨村西雷公庙岭附近牺牲。剩余部队傍晚退到黄河边的南沟渡口。孔令恂和王治岐弃部渡过黄河，失去指挥的部队争相竞渡，伤亡惨重。王竣师的副师长梁汝贤投河殉国。
日军先头部队七千人，从夏县分三股向南攻击唐淮源军阵地。8日拂晓，日军攻占中条山北山的交通要道泗交村。然后，一路日军向西北奔袭李世龙师师部驻地王家河，另一路向东南奔袭唐淮源军军部唐回。王家河遭到日军重兵包围，李世龙率部突围。唐淮源率领预备队从唐回驰援王家河，日军地面部队与空降兵一起占领了唐回。唐淮源率领残部向东撤退到温峪一带，被日军挡住去路，只得与日军激战，遭受重大伤亡，再向东北和西北方向退去。12日，他们在尖山陷入日军四面包围，三次突围失败，唐淮源在尖山顶庙内自戕殉国。
同一天，第三军寸性奇师突围到胡家峪，遭到日军截击，寸性奇胸部中弹，身负重伤，坚持率部苦战。13日，他们也陷入日军重围，寸性奇两次负伤，右腿被日军炮弹炸断，自知无力回天，也拔枪自尽。继太原会战忻口战役中第九军军长郝梦龄与第五十四师师长刘家祺之后，又重演了一军之中军长和师长同时殉国的悲壮。
日军井关仞师团先头部队三千多人，从闻喜向公秉藩师防守的野峪、十八坪和唐王山等阵地猛攻，迅速攻陷了唐王山。公秉藩组织部队反攻，收复唐王山周围阵地，但因右翼友邻部队防线被突破，战区长官部命令他率部驰援曾万钟集团军司令部所在地马村，公秉藩师便放弃唐王山阵地，退到胡家峪。
中条山北侧是曾万钟集团军和刘茂恩集团军的接合部。日军的战略意图，在于迅速攻占横岭关和垣曲大道，直取垣曲县城，对守军两个集团军实施分割包围，各个歼灭。战役一开始，日军就以重兵猛攻横垣大道两侧。赵世铃军驻守东北侧，高桂滋军驻守西南侧，同时遭受日军重兵打击。
阳城附近的日军樱井师团和津田混成旅团一部，于5月7日下午向董村东西线武士敏军阵地攻击，遭到顽强抵抗。
8日拂晓，日军突破了赵世铃军十八坪阵地，赵世铃下令放弃阵地，撤向望仙庄一线。高桂滋军依靠工事和有利地形，进行了较为有效的抵抗，但因左右两翼都被日军突破，不得不退出防线。突破防线的日军兵分两路，一路沿桑池、贾家山和杜村河南下，另一路沿亳清河南下，经皋落、长直和王茅直下，黄昏时攻占垣曲县城，截断了守军与黄河南岸的联系。日军实现了中间突破，中条山的中国军队被分割成两半。此后的两天，日军于12日早晨在东路攻克邵源，与济源西进的日军会合；于11日在西路推进到五福涧，与9日攻占五福涧的日军会合。这样，日军完成了对守军的内层包围，彻底截断了守军在黄河沿线的补给线和退路。
13日，日军得到增援，再次发动攻击，突破董村阵地，武士敏军转移到横河镇东南地区，又遭到从济源突入的田中师团攻击，刘茂恩集团军腹背受敌，于14日开始向北突围，但仅有两个师突出日军包围圈，到达沁水以北地区，其余都被包围在山区内。
在中条山东侧，日军原田师团于5月7日分别从济源和孟县两地，突穿守军阵地。裴昌会军在强敌进攻下，节节防御，节节后撤。8日中午，守军放弃济源和孟县，向西撤退。战区长官部见裴昌会军全线溃退，命令他们用主力在封门口以北的既设阵地，阻止日军西犯，并派小部队侧击日军。裴昌会部署新编第二十四师主力和第五十四师张团防守封门口一线，命令第四十七师和第五十四师驻王屋的独立第四旅等部，在孤山一线游击。封门口是日军西进必经的要隘，日军久攻不下，立即增兵。从9日上午激战到10日早晨，日军突破封门口。这时，中路日军已于8日晚攻陷垣曲县城，分兵进攻邵源。长官部命令裴昌会军主力从官阳南渡，以策应河防。
中条山，中日伤亡比二十比一（4）
日军原田师团于10日突破守军龙王窝阵地，沿黄河北岸向西突进。11日，第一战区发现黄河西岸河防空虚，命令裴昌会军直属部队、第五十四师和第四十七师一部，从官阳南渡，守备黄河南岸，新编第二十四师和第四十七师主力则留在道清铁路西段山地及济源山地游击。
当天，一百多架日军飞机轰炸封锁官阳东西渡口，第五十四师在遭受重大伤亡后渡到河南，其余各师各团都退到封门口至邵源以北的山地。12日，日军西进到官阳附近，控制了黄河北岸各渡口，其主力田中师团则沿封门口西进到邵源，与从垣曲东进的樱井师团一起，夹击守军刘茂恩集团军，完成了对刘茂恩集团军的内线包围。
在中条山东北侧，驻防这一线的守军主要有刘茂恩集团军司令部、武士敏军，以及范汉杰军和刘戡第九十三军等部。7日晚，日军向武士敏军发起进攻，武士敏率部拼死抵抗，在董封东西线上与日军激战，多次击退日军进攻。王村一战，击溃日军两千名，击毙滨田大佐以下七百多人。10日，战区长官部看到济源和垣曲之间的所有主要渡口渐次被日军封锁，刘茂恩集团军整个补给线中断，命令阳城以西部队主力，迅速向沁翼公路以北分路转移，以旋回钻隙战法，打击日军侧背。天亮前，刘茂恩集团军全面与日军发生激战。下午4点，交口的日军陆续增加到三四千，攻陷了清风的圪塔和煤坪。第十师与武士敏军的接合部二里腰，也被大约两千多名日军突破。邵源方面的日军也向西北紧迫，刘茂恩集团军处于三面受敌的危境。各部突围游击，向北撤退。
在守军全线溃退的同时，日军以优势兵力和猛烈炮火占据先机，迅速完成了第一阶段的作战任务，突破了中条山地区的全部防御阵地，先后占领了垣曲、济源、孟县和平陆等县城，以及相关的关隘据点，封锁了黄河北岸各渡口。14日以后，日军继续封锁渡口，在中条山区围攻中国军队。留在山区的守军损失惨重，只能化整为零，分别突围，向太岳山区、吕梁山区和黄河南岸转移。日军完成了对中国守军的内外侧双重包围。
在中条山战役中，毛泽东多次向八路军总部指示：“我们的基本方针是团结对敌，是配合作战。”华北各地八路军主动出击，袭击南三角区的日军，截断了同蒲路、正太路、平汉路和白晋路等日军的交通线，积极配合国民党军队作战。
在八路军掩护下，唐淮源军和范汉杰军等部队残部，在曾万钟率领下西渡黄河，转到洛阳和新安一带整顿。刘戡军主力在摆脱尾追的日军后，从禹门口渡过黄河，进入陕西韩城境内。第九十八军一部在武士敏率领下，进入太岳山区。赵世铃军向浮山和翼城间转进。裴昌会军主力在道清铁路西段和济源山地游击了几天后，分别由小渡口和官阳渡口南渡。驻中条山的中国守军，大部分退出中条山地区，转向日军背后攻击。21日，战斗停止。
中条山会战，前后历时一个多月，中国军队伤亡四万两千多人，被俘三万五千多人，丧失了中条山及其附近地区的大片国土。日军仅以一比二十的极小代价“扫荡”了中条山地区的中国军队，占领了威胁洛阳、西安及陇海路西段的“桥头堡”。中国军队在这次会战中惨败，成为“抗战史上最大之耻辱”，但它却检验了几年以来国共合作的效果及军事上的协调。
5月份，蒋介石为了掩饰自己的部队在中条山的失败，造谣污蔑八路军不配合作战。周恩来于5月21日致信《大公报》，列举大量事实，驳斥各种谣言，指出一周前晋南白晋公路一段就是在第十八集团军部队袭击下而停止通车。周恩来声明：“我们一向主张团结抗战，而且永远实践团结抗战。”他表示：“只要和日寇打仗，十八集团军永远不会放弃配合友�