考虑到敌人进攻持续时间长，攻击力度大，进攻时火力杀伤大，在兵力部署上，许世友将七十三、七十四、七十五团各留一个营作为第一梯队在要点上坚守，其余大部分兵力作为机动部队分别隐蔽在防御纵深内。
与大面山成掎角之势的是玄祖殿。玄祖殿原名钟南山，因为山顶有座小庙叫玄祖殿，所以山也被称作玄祖殿。玄祖殿位于万源西南五六十里，主峰海拔一千六百八十米，地势由北向南倾斜，南坡上，多条山梁沿正东、正南、西南方向，由山顶延伸到山脚，状若鸡爪。远远望去，玄祖殿峰峦叠嶂，林木繁茂，玄祖殿主峰周围，到处是悬崖断壁，易守难攻。玄祖殿北面有一块小平地名为牛毛坪，海拔约一千二百米。
守卫玄祖殿的是由红四军十二师师长张才千率领的三十六团和三十四团一营。
张才千，湖北麻城人，1930年4月参加中国工农红军，1931年7月加入中国共产党。参加了鄂豫皖革命根据地历次反“围剿”作战及西征入川作战。1933年春任红四方面军第七十三师三营营长，第二七九团团长，7月任红三十一军九十三师副师长兼第二七九团团长，10月任红四军第十二师副师长、代理师长。
张才千久经战阵，他将指挥部设在玄祖殿山顶的小庙里，组织部队依据山势在山脚、山腰、山顶分层构筑了十几道工事。最前面的是“木城”，在“木城”外围敌人进攻的必经之地，埋上了经桐油炸过硬如钢钉的竹签，表面用茅草、浮土加以伪装。“木城”后面是三四道堑壕，堑壕之间以交通壕相连。最后一道堑壕是主阵地，堑壕上面架上树木，树木上盖上厚厚的泥土做成盖沟，既防炮弹又防雨。守阵地的部队就住在盖沟里。张才千在前沿阵地只放少量的阻击兵力，将主力集中到牛毛坪，作为反攻时的有生力量。
7月16日上午，太阳刚刚升起，大面山脚下，隆隆的炮声如同惊雷，大面山阵地上，烟尘滚滚，弹雨横飞，敌人的进攻开始了。
唐式遵的八个旅数万人，在飞机大炮掩护下，向大面山、玄祖殿等红军阵地发起猛攻。冲锋敌军像看大戏一样人山人海，波浪式冲锋一上午就达五六次。
红军沉着应战，待敌人冲到阵地前几十米时，各种火器一齐开火，滚木礌石翻滚而下，敌兵惊恐万状，抱头鼠窜，红军战士跃出战壕，挥动大刀猛追猛杀，敌人的冲锋一次又一次被粉碎，由于敌人反复炮轰，阵地被打得像刚犁耙过的耕地，一脚踩下去就是一个深深的脚印。有些地段土少石硬，工事打平来不及抢修，战士们就地取材，把敌尸拖来，头对头、脚对脚地垒起来；上面盖一层浮土做成简易工事。子弹打光了，就到敌人尸体堆里找，枪打坏了就到敌人尸体堆里拣。
眼看一次次冲锋，几千名士兵如同潮水一样往上涌，经过红军一顿打击，又如同决堤一样垮下来，每次垮下来，红军阵地前面便横七竖八躺满了尸体和伤兵。刘湘对损兵折将而毫无进展焦灼万分，他下令：攻下万源者赏银圆三万，擅自放弃阵地者军法从事，师、旅长不亲临前线指挥者处死。
此令一出，敌旅长、团长赤膊督战，营、连长组成军官敢死队冲锋，畏惧不前者不分官兵一律就地枪决。飞机炸、大炮轰，集团冲锋的士兵成百上千地往上涌。虽然红军各种火器像狂风暴雨般扫向敌人，成群的敌人纷纷倒下，但后面的敌军仍往上涌，有的竟跳进战壕与红军战士肉搏。两军厮杀之惨烈，天地为之变色。许世友回忆；
刘湘像快要输光的赌徒，拿他的士兵作孤注一掷。我从指挥所里向外看去，山坡上，山沟里，到处都是敌人，就像数不清的狼群，往我们阵地上扑来。快到阵地前沿了，我们的各种火器一起开火，猛烈的火力像一阵狂风暴雨扫向敌人，成群的敌人纷纷倒下。但是，后面的敌人还是往上涌，有的竟冲进了我军的堑壕。我们的战士抱着与阵地共存亡的决心，勇敢地跳出工事，和敌人混战成一片。大刀在阳光下闪着白光，两军兵械相接之处红花花的，敌人招架不住，纷纷向后溃退，但过不多久，又增兵压了过来。就是这样，你冲过来，我杀过去，一直持续不断。坚守在青山阵地上的七十五团三个连，在团长韩东山的直接指挥下，抗击敌人两个旅的轮番冲击……在他们的阵地前，敌人留下的尸体像劈垒柴一样，一堆又一堆的遍布于鹿砦附近。
战斗持续进行了半个月，唐式遵发起了几十次进攻，大面山阵地仿佛人间地狱。
在玄祖殿阵地与许世友并肩作战的张才千回忆：
……敌人在以主力进攻大面山的同时，以一个旅的兵力，由清花溪分数路向我玄祖殿阵地进攻……首先以密集的炮火向我军阵地进行了约二十分钟的破坏性射击，紧接着便以整营整团的兵力，分数路朝我们的阵地扑来。这些“双枪兵”由于刚过足了鸦片烟瘾，这时候精神足、劲头大、攻得猛。面对敌人优势兵力的进攻，我三十四团一营一、二连隐蔽在工事里，一面密切观察着成堆成群往上爬的敌人，一面组织神枪手用冷枪不断地杀伤敌人。等敌人爬到距我前沿阵地三、四十米时，居高临下，向敌人展开了猛烈的火力袭击，步枪、机枪一齐开火，马尾手榴弹一枚接一枚地投向敌群。顿时，打得敌人死的死，伤的伤，像山崩一样纷纷倒下。其余的见势不妙，争相向后逃窜。敌人第一次进攻被打退后，接着又组织第二次、第三次进攻，结果仍是伤亡累累，我军阵地却屹然未动。到了下午三、四时，“双枪兵”的烟瘾上来了，哈欠不断，进攻也没劲了。这时用望远镜可以看到，在敌军阵地上，张开了无数雨伞，许多敌军官兵躺在伞下点燃烟灯，摆出烟枪，开始“吞云吐雾”了。一营指挥员便抓住这个有力战机，派小分队从几个方向突然向敌人发起攻击。敌人惊慌失措，乱成一团，失去指挥，争相逃命……这一天，敌人一个旅的进攻就这样被我军三十四团两个连击退了。
大面山阵地上也出现以敌人烟枪为靶子的趣谈。
7月16日，血战一天后，天色渐晚，战场渐渐安静下来。二十五师的战士们抓紧时间抢修工事。许世友、陈海松到七十五团的阵地巡视，突然发现进攻的川军一反常态，没有撤走，而是停在红军的阵地前。再仔细观察，敌阵中，一团团亮光时明时灭，原来这是川军士兵烟瘾发作，竟然躺在红军阵地前抽大烟。许世友笑了：“这倒给我们提供了一个练习夜间射击的好机会。”
他从身边的战士手中接过步枪，瞄准不远处明灭的烟枪连开三枪，随之传来惨叫声，亮光立马熄灭一片。阵地里的红军战士都向师长学习，以闪亮的烟灯为靶子，开展射击比赛，打得川军士兵心惊肉跳，再也没人敢在阵地前抽烟了。
看到敌人恶狼似的没完没了地向我军阵地猛扑，总是我军战士们挨敌人的炮弹砸，虽然战士们英勇反击，但老被人打总让人不舒服，张才千想换个方式给敌人一点颜色瞧瞧。三十六团报告，部队在一次反击中，抓了几个俘虏。张才千脑子一转：“带过来。”几个俘虏被带来，张才千一见，妈呀，这哪里是人，这分明是鬼！三个俘虏除了高矮不一样，其余的都像一个模子里刻出来：浑身精瘦，眼睛深陷，两腮无肉，胡子拉碴，蓬乱的头发长长的，几乎让人难以区分男女，身上的军衣几乎成了碎布条，细长的胳膊如同麻秆，腿和胳膊一样粗，看样子一阵风都能吹倒，眼睛几乎分不出黑白，浑浊无光。三个家伙一见到张才千，立即跪倒在地，口称红军官长饶命。张才千让他们站起来，又让警卫员给他们一点吃的，让他们缓和情绪，然后聊家常似的问他们是哪里人，当兵多久了，慢慢地问到敌人的具体情况。这几个家伙有问必答。张才千很快了解到，眼前的敌人有一个多旅，其中有一个团就住在不远的罗家垭。罗家垭以前就是三十六团的驻地，我军对那里的地形非常熟。张才千立即叫来三十六团团长，让他想办法去偷袭这股敌人。
当夜，三十六团交通队派了三名战士，乘着夜色悄悄摸进罗家垭。罗家垭是一个山村，村里村外住满了敌人。三名战士摸进村后，各自朝着敌人堆里啪啪啪就是几枪。这一下子就热闹了，惊醒的敌人梦魇般地惊叫，“红军打来了”，一些敌军没有目标，胡乱地开枪，结果你打我，我打你，互相混战。看到乱成一团的敌人，三名战士开心地又悄悄回到阵地。
眼看一次次失败，唐式遵非常恼火，他将前线的师旅长一通训斥，给他们定下时间限制，限期拿下大面山、玄祖殿阵地。这些师旅长们也一个个表态坚决。但结果总是一样：失败。
7月22日，唐式遵下令发起第二次总攻。但除了再次丢下上千具尸体外，仍旧一无所获。如此打法，唐式遵手下的廖雨辰、汪铸龙、王三春、陈国枢等部师旅长们纷纷向他叫苦，再这样打下去，部队就要没了。汪铸龙更是公开向他叫板：“总指挥，我的士兵们都躺在红军阵地前面，再要冲锋，只有把他们都喊起来。”
唐式遵恨得牙痒痒，他横下心，将预备队全部投入战斗。
唐式遵以为自7月22日开始第二阶段进攻以来，进展虽微，但已接近万源正面红军主阵地，各部如于此时齐心协力进行一次会攻，当不难达到中央突破、夺取万源的目的，于是下令在7月25日这一天举行大会攻。所谓大会攻，用唐式遵的话就是，集中全部力量，飞机、大炮、机枪一起上，阵地上能动的，能出气的，所有活的东西全都给老子冲。唐式遵对手下的将军们挥动拳头：“我们现在有近八十个团，红军有多少？八十个团还拿不下这几个山头？你们就是豆腐渣也要把红军的肚皮撑破。”
7月25日上午，天气闷热，站着不动都是一身汗，很多川军士兵为了图省事，几乎清一色地打着赤膊。唐式遵来到距攻击点不远的党家坡阵地督战。
唐式遵这次真是豁出去了，由于运输困难，前方已经没有多少炮弹和粮食了，这次他下令将所有炮弹都搬出来，希望能够一次性地解决问题。他这是在赌博，用战场上士兵的性命和自己的前途赌。
攻击开始前，几十门平射步兵炮、山炮和近百门迫击炮对红军阵地进行压制射击，半个小时的炮击打得大面山、玄祖殿、孔家山等红军阵地上浓烟滚滚，火焰张天，炮弹的爆炸声连成一片，空气中充满浓烈刺鼻的硝烟味，炮击还没结束，五架敌机盘旋着向红军阵地投下一串串炸弹，红军阵地如同狂风大浪中的小船，炸弹爆炸的冲击波如同十二级狂风，横扫着地面上的一切东西。
敌人第五路一、四、五、九各旅及六路汪铸龙师之刘育英旅同时一致行动，从南池坪、袁家山、老鹰寨、木旺坪、香炉山、瓜子山、土地垭各地，向大面山、孔家山、玄祖殿、大山坡等处的红军阵地发起强攻。漫山遍野的川军如同翻窝的蚂蚁，在猛烈的炮火掩护下，在督战队枪口威逼下不停地向红军阵地爬来。
唐式遵将五个旅投入到大面山、甑子坪、孔家山阵地，将二个旅投入到玄祖殿阵地，采取波浪式集团冲锋的办法，每次冲锋一个营全上，被打下来后不再重新组织，而是让第二个营上，第二个退下来再让第三个营上，第三个不行再上第四个。看着不停向上的人潮，望着红军的阵地，唐式遵狞笑着说：“你红军再厉害，我用人海战术，淹也要将你淹死。”
敌人阵地前，督战队指挥官厉声吼道：“弟兄们，刘长官有令，冲上去，官升一级，杀死一名共匪，奖大洋一百，后退者，格杀勿论。冲啊，抓活的。”
他的话音未落，周围成百上千的敌军士兵一起响应：“冲啊，抓——活——的，抓——活——的！”随即枪炮齐鸣，潮水般的敌军涌向红军阵地。
这一招的确有效果，在督战队的枪口下，敌人营团级规模的集团冲锋轮番不停，红军阵地上机枪打得刮风一样，战士们的排子枪将正在冲锋的敌军割稻草一般，一排一排打倒，但前边的倒了，后面的又涌上来，射出去的子弹没有敌军人数多。红军的机枪枪筒打红了，子弹卡壳了，火力稍弱，敌人蜂拥着就冲进了我军的堑壕，双方打起了肉搏战，好几处红军阵地被突破。
敌人四、九两旅拼死突破了红二十五师大面山前沿的南池坪、袁家山阵地，接近大面山主阵地。红军各营各团的敢死队、预备队都投入了与敌殊死反复争夺前沿阵地的战斗。红军用密集的手榴弹和轻重机枪织成强大的火网给敌以大量杀伤，但敌人仍然不停地向上涌。蝗虫般的敌人爬至老鹰寨、香炉山半山的枣子院、胡家山、谢家园等地，即将攻临大面山顶，突然，天空乌云滚滚，电闪雷鸣，狂风骤起，顷刻间大雨如注。这不是下雨，这是狂怒的老天在往下泼水。狂风暴雨让正在拼死搏杀的敌军官兵惊骇不已。主峰阵地本来就坡陡坎高，山头上早已被敌军的炮火打得一片尘土，大雨一来，地面顿时一片湿滑，正在艰难地向上爬的敌人一个个跌跌滑滑，摔成一团，加之饥渴难耐，体力衰竭，敌人的攻势明显减弱。
老鹰寨指挥所里的许世友见状立即令二十五师预备队以泰山压顶之势，从正面和两翼发起反冲击。暴雨中，成千的红军似山洪暴发，借助暴风骤雨之势，居高临下，直冲下来，从师长许世友到每一名战士都舞着纯钢大刀扑进敌群，寒光闪闪的大刀上下翻飞，刹那间，无数敌军成了无头鬼，无数人身体鲜血如注，“抓活的”的狂叫变成遍地伤兵的鬼哭狼嚎。看到身边的同伴要么成了无头鬼，要么缺胳膊断腿，漫山遍野都是惨叫和哀号，那些没有被红军钢刀砍倒的敌军吓得肝胆俱裂，在暴雨中一跌三滑，不要命地向后跑。红军乘势追击，冲入敌群。正在前方党家坡高地指挥督战的唐式遵见红军的反击如潮，自己的溃兵也如潮，溃兵返回来将后面的冲击部队裹挟下来，形成更大的溃兵潮。为了拦阻红军的反冲击，丧心病狂的唐式遵急令炮兵对红军进行拦阻射击，炮弹在敌我两军接合处爆炸，敌我双方死伤一片。红军停止追击，敌军才得以退回攻击阵地。
回看刚才激烈战斗的阵地，堑壕里，阵地前，陡坡边，各种姿态的敌军尸体横陈，惨不忍睹，数千具的尸体鲜血横流，在暴雨的冲刷下，血水横溢，大面山阵地被染得一片赤红。
7月26日上午，玄祖殿阵地。三十六团二营四连的一百多战士抗击着敌军整营、整团的轮番冲击。玄祖殿阵地居高临下，易守难攻，三十六团的战士们近战歼敌，打退了敌人多次进攻。战至午后，全连只剩下不到一半人，战士们退守到第二线阵地前的一个山垭口。在垭口前的陡坡上，战士们用绳子拦住许多大石块。当敌军逼近垭口时，他们砍断绳子，顿时，数百块大大小小的乱石如同山崩，临空而下，迎面而来的数百名敌人几乎全部被打倒，顿时哀号声一片，白的脑浆、红的鲜血四处溅洒。