处境日益艰难的日军也嗅到了危险的气息，他们被分割包围在雪峰山腹地各处，且没有预备兵力。等待他们的将是被各个击破的命运。冈村宁次无奈之下、以“敌人的战斗力极强以及集中速度之快等原因，下达了终止芷江作战的命令。
5月8日，中国军队开始向日军实施全线反攻。第94军率先出击，在高沙地区将日军击溃，随后与74军配合，以优势兵力将抱头鼠窜的2000多日军在武冈茶子铺地区包围全歼。其余日军溃不成军，纷纷后撤。
在雪峰山中路战场日军3000余人遭中国军队73军、74军一部伏击截击，在金龙指被消灭约2000人，其余1000多人在东逃窜，在和尚桥、芙蓉山等地再次遭到包围夹击，只有少数日军成漏网之鱼。
放洞地区被包围的日军109联队也遭受灭顶之灾，中国军队于5月12日开始发起攻击，日军垂死挣扎，顽强反抗，但仅一天，109联队的三道防线均被中国军队突破，日军四散奔逃，各自为战。混战中，109联队队长四家三郎大佐被击毙，溃逃的日军没能冲出中国军队的包围圈，被尽数歼灭。曾经不可一世的109联队在雪峰山麓全军覆没。
同日，中国军队第74军主力反击日军116师团，在洞口竹蒿塘附近发生激战，日军士气低落，损失惨重。师团长岩永汪看到源源不断合围过来的中国军队，吓出一身冷汗，他留下1000多人拼死殿后，主力迅速向邵阳方向撤退。仅几个小时，殿后的日军尽数被歼灭。
5月20日，116师团再次被中国军队包围在洋溪桥一线，日军拼死突围，但中国军队此时有绝对的兵力优势，100军3个师加上74军4个美械师，火力也不落下风。日军苦战十日，逐渐不支，被消灭3000多人。板西一良命令47师团和34师团拼死接应，才狼狈逃脱，躲过一劫。
在北路战场，一直在战场上占据主动的73军向日军重广支队发起猛烈反击，日军且战且退，几度被包围。芷江机场的中美空军也出动P-51野马轰炸机赶来助战，对被包围的日军投弹扫射，日军死伤惨重，四散溃逃。乱战中，支队长重广被中国军队击毙，板西一良派出20军的10个大队接应，才将重广支队残部抢出，近4000人的重广支队已不足1000人。
这次战役是日军在末日将至时的垂死挣扎，在准备不足的情况下悍然发动攻击，大意冒进、士气不高，被中国军队引诱至重峦叠嶂的雪峰山地区分割包围，在遭受惨重损失后狼狈逃回，是一次彻头彻尾的失败。
据战报统计，日军在湘西战役中损失高达2.4万人，被俘214人，而中国军队也付出了牺牲6832人、伤11700多人的代价。日军主攻116师团战后承认：“连日激战、损失巨大，战斗力显著减退”。日军第34师团也发出：“敌军追击之急，超过预期，各部队陷入混乱状态，几乎无法统帅”。日军战史也不得不承认——这是侵华战争以来败得最惨的一仗。
雪峰山战役给了日军以沉重的打击，此后日军再无力发动大规模会战，雪峰山成为日军败亡的起点，中国军队由此开始转入反攻。日本法西斯的末日即将到来。
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