增援的日軍步兵第三中隊突然遭到進攻，頓時楞住了，日軍中隊長命令分散搶占有利地形，與雷霆縱隊偵查連作戰。日本鬼子的步槍哪里能與雷霆縱隊的自動步槍和機槍相比，被密集的子彈壓制的不敢抬頭。戰士們投出手雷，接連不斷的鬼子群里爆炸，造成了傷亡。日本鬼子互相掩護著撤退，不但沒有能完成增援的任務，還扔下幾具尸體。
一個中隊的騎兵鬼子趕來救援，與秋山好古的部隊里應外合，秋山好古的先鋒隊拼命突圍，扔下多具尸體后才沖出包圍圈，在前來支援的日軍步兵的掩護下倉皇撤退。
川崎三郎、亙治助被清軍擊斃，大森多吉被擊斃，中隊長淺川敏靖就被清軍從馬上擊傷在地剖腹自殺，中島安太郎、阿久津舍吉、鈴木善二郎、田邊口等被擊傷。清軍的旗手舉著藍色旗子，其勢難敵。四面都是清軍，槍彈像傾盆大雨一般。
這時原在東路周家村附近布防的拱衛軍，已經在徐邦道指揮下從東北溝方向逼向日軍步兵第三中隊左側包圍，日軍見勢不妙，便向許家窯方向突圍。不料第三中隊剛行至長嶺子，從周家村方向趕來的徐邦道部50名騎兵已截住日軍退路，將其馬隊割成數段，重重包圍。日軍又急派第二、第四兩個步兵中隊增援。
雷霆縱隊第三支隊在前往土城子的途中，與日軍增援的部隊第四中隊遭遇，雙方在長嶺子展開激戰。炮兵在長嶺子南2公里東南高地上架起大炮，向日軍猛轟，步兵和裝甲部隊向日軍兩側側發起進攻，聲勢浩大。
日軍支撐不住，四處逃竄，左突右沖，向來路雙臺溝方向狼狽潰逃。雷霆縱隊乘勝猛追，日軍無力再戰，甚至來不及收拾尸體，就向營城子方向敗走。直到下午日軍部隊的炮兵趕到進行火力支援。
此時恰逢坂井中尉向其他部隊提供補給時路過，看到友軍被圍不利，立即發出攻擊敵炮兵陣地的命令，抑制住雷霆縱隊的攻擊，秋山部隊趁機逃出重圍。死亡計有步兵第一大隊第三中隊小隊長中萬德次以下官兵12人，負傷步兵中尉三谷仲之助、騎兵大尉淺川敏靖以下32人，死傷共計44人，另有兩人死傷不明。
徐邦道率清軍騎兵乘勝追擊，日軍潰退到雙臺溝以北，偵察兵報告長嶺子方向有日軍活動跡象，清軍命令停止追擊逃跑之敵，
徐邦道的拱衛軍在土城子阻擊戰中有進無退，氣勢如虹，使日軍苦苦支撐，不僅使數名指揮官殞命，而且險些成“袋中之鼠”，這是日軍自與清軍交戰以來未曾遇到過的狼狽狀。
山地元治率領左翼的第二旅團，秋山好古少佐率領的先鋒騎兵大隊的日軍邊撤退，邊往后看，如驚弓之鳥，正在倉惶逃離的時候，又聽到馬隊喊殺的聲音。