在场的干部听完陈赓的部署和要求后，都感到此次伏击作战方案，计划得很周到，布置得很恰当，个个都表示有信心、有决心完成任务。接着，王新亭对政治工作也提出了要求。
此后，连续三天，干部、战士为了打好这一仗，除担任诱敌任务的部队，连着几夜袭击威县县城之外，大都是每天拂晓前就得隐蔽地进入伏击阵地，冒着凛冽的寒风，卧在冰冷的沙窝里，一动不动地等待日本兵进入伏击圈。
连续三天对威县县城的袭击，几次袭入城内，给敌人造成很大损失，日军终于被激怒。2月10日下午，日军第十师团第四十联队一个大队长率领一个加强中队，乘9辆汽车，带着机枪、步炮，气势汹汹地追击着第三八六旅的“钓鱼”部队，向香城固驰来。当陈赓向部队通报了敌人已经上钩的情况后，广大指战员迅速做好了近战的一切准备。
4时许，日军的汽车队一面乱打着枪一面驶入了第三八六旅的伏击圈，沿着干涸的沙河滩向香城固村开来，当他们先头汽车刚刚行驶到香城固村北口时，埋伏在那里的第六八八团第一营立即猛烈开火，迎头痛击日军，第一辆汽车当即被击毁，击毙车上的日本兵10余名，他们的大队长也被击伤。敌人遭此当头一棒，顿时慌乱起来，急忙跳下车，向第一营阵地实施反扑，几次冲锋被击退，于是接替指挥的安田中队长改变战术，指挥一部分兵力将攻击矛头指向东南方向的庄头村，妄图迂回包抄香城固村。但是，当这伙敌人刚刚接近庄头村边时，却又遭到补充团的猛烈射击，将它堵了回去。接着补充团的第二营和第三营又向日军出击，由东向西，将日军压向沙河洼地。安田意识到上了八路军的当，中了埋伏，急忙命令其士兵爬上汽车，掉转车头，向北面的威县方向逃跑。
这时，陈赓命令部队所有火力，向日军射击；又命令隐蔽在北面的新一团迅速出击，卡住敌人的逃路。于是从四面八方射来的子弹、炮弹和投来的手榴弹，如飞蝗疾雨，一齐射向敌群。此刻，副旅长许世友离开了指挥所，跑到了新一团部队当中，挥着手大喊：“同志们！坚决堵住敌人！决不能叫他们跑掉一个！现在杀敌立功的时间到了！”一直到新一团第二营跟着他冲到伏击圈北口的一个土岗上面，并且用火力封住了日军的退路——扎住了“口袋”口，他才哈哈大笑止住了脚步。
激烈的战斗进行了半个来小时，日军已被第三八六旅团团包围在一个椭圆形的大沙窝里，汽车陷在沙里开不动了，安田只好命令鬼子兵抛弃汽车，集中火力，向扎口袋的新一团连续发起4次猛攻，企图打开一个口子逃命，但均被新一团击退。
陈赓密切地注视着战斗的进程，心中很高兴：计划实现了，日本兵被牵引进了洼地，被包围住了。各级干部均以身作则，处处起模范作用，身先士卒，率领战士多次打垮敌人企图突围的猛攻。但是也有担心，看似胜券在握了，实际并未最后解决。战场情况瞬息万变，不知道还会出现什么意想不到的情况。
果然，战斗持续到黄昏，被围日军看到难以突出重围，就向北面发出一串绿色信号弹，向威县、曲周的敌人求救。敌人好似热锅上的蚂蚁，在沙窝里东窜西跑，安田组织力量继续猛攻新一团第二营阵地，为了突围竟然抛掷起毒气弹。新一团团长丁思林立即组织投弹组使用集束手榴弹，利用爆炸的气浪驱散毒气。此时，陈赓命令各团紧缩包围圈，迫使敌人怕伤着自己而再不敢使用毒气弹。
激战中，被新一团第二营杀退的日军，找不到合适的隐蔽地形，像无头苍蝇似的到处乱窜。陈赓认为时机已到，立即命令“发出总攻信号！”顿时冲锋号声响彻原野，战士们跃出阵地，端着刺刀、拿着红缨枪，高喊着“冲呀！”“杀呀！”，从四面八方冲向敌群，很快就将这伙侵略军歼灭在沙窝里。
夜色渐渐降临，在汽车燃烧的火光下，第三八六旅派人打扫战场，在一个大沙丘后面，发现尚有5个受伤的日本兵躲在那里。看见八路军来了，其中一个跳起来举起战刀向战士砍去，结果被骑兵排长挥起马刀拦腰砍死。从被俘的4个日本兵口中得知，那个举刀顽抗的家伙，就是安田中队长。
至此，整个香城固诱伏战胜利结束，共击毙日军大队长以下250多人，俘虏10人，烧毁汽车9辆，缴获山炮1门，九二式步兵炮2门，轻重机枪及步枪数10枝。第三八六旅伤亡50余人。
陈赓所以能创造这个“得意之作”，并非偶然。他准确地掌握了敌人行动规律，指挥敌人前来就范，真正做到知彼知己。当然也由于日军大队长过高估计自己的力量，过低估计八路军的力量，盲目进军，造成了随机决策的错误。当出现了八路军骑兵部队狙击的情况时，他没有认真思索，没有了解前面的军情，即作出冒进的决断，造成满盘皆输的结果。这证明他随机决策的“功力”，较之陈赓不可同日而语。
香城固诱伏战斗，是八路军粉碎日军对冀南抗日根据地进行“大扫荡”中的一次主要战斗，是平原地区反“扫荡”作战中的一个光辉战例。
刘伯承对这次战斗非常赞赏，指出：“这次战斗敌我伤亡的比例是四比一，我们的代价是小的，是赚钱的生意。这是个模范的诱伏战，应当表彰。”他并为这次战斗总结了经验：第三八六旅作战集团的口袋布置得好！其优点：第一是善于示弱诱敌，特别是激发了敌人轻视八路军的骄纵心理。第二是善于把敌人诱导到机动的围攻位置，而且把附近的房屋都占领了，让日军没有办法固守，也没有办法逃脱。第三是善于协同动作。
香城固一带的人民群众更是欢欣鼓舞，他们编了一首民谣，歌颂第三八六旅，歌颂香城固战斗：
三八六旅好儿郎，领导是陈、王。
沙滩布下口袋阵，香城固四面撒罗网。
大汽车冒火光，日本鬼见阎王。
解了咱们心头恨，保住咱们好家乡。
这次战斗后，蒋介石和当时第一战区司令长官卫立煌，也分别致电八路军朱德总司令和彭德怀副总司令，嘉奖第三八六旅。蒋介石2月14日原电如下：
朱总司令玉陛：
刘师陈旅努力杀敌，斩获颇丰，即希传谕嘉勉。
中正 寒
第三八六旅撤离香城固地区的第二天，日军出动了70多辆汽车，满载着2000余名日军，在两架飞机掩护下，向香城固猛扑而来。在香城固没有找到第三八六旅。于是又出动5架飞机，在大炮和坦克的配合下，向尖冢地区进攻，企图寻找八路军决战，最先头的装甲车上，还贴着“专打三八六旅”的标语。日军整整追寻了7天，没有见到第三八六旅的踪影，打罢香城固战斗后，第三八六旅已经奉命西进，跨过平汉铁路，返回太行山，在黎城地区进行休整。
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