戰鬥的起因是：百團大戰第三階段，日軍進行報復性掃蕩。岡崎大隊500餘人（不是整建制，實際應為支隊）突然破壞了八路軍總部機關兵工廠「黃崖洞」而後選擇有利地形——關家垴固守待援。引用戰史資料其地形為「其北面是斷崖陡壁，下面是一條深溝，東西兩側坡度較陡，只有南坡比較平緩，可作進攻路線。」關家垴多窯洞，日軍將其一一打通固守。彭德懷得知黃崖洞丟失後很憤恨，命令附近的129師全殲岡崎大隊。

129師集結了三個旅兩個團越兩萬人圍攻關家垴，岡崎大隊用電台向上級機關請援，日軍遂從武鄉、遼縣出動的2500多名日軍向關家垴增援。另調12架飛機作為戰場火力支援。八路軍從抗戰以來第一次領略了日軍的地空配合大縱深多路進攻攻擊。由於八路軍擅長游擊戰，對大兵團攻堅戰協同配合作戰沒有經驗，又由於關家垴地形險要，八路軍少有火炮，日軍多點式的防禦工事火力網很強，我軍無法打破日軍火力網，傷亡很大進展緩慢。加之八路軍攻堅戰術不得體，衝鋒時得不到我軍對敵的火力壓制支援，雖然有幾次經過慘烈傷亡衝上關家垴與敵人肉搏，終因無後續兵力支援得不到人數優勢，拼刺也不如日軍（一個日本兵可以同時應對三個八路兵）而功虧一簣。

日軍十二架飛機對我軍輪番轟炸，129師在白天很難集結兵力對敵攻堅。夜間作戰由於缺乏手錶和通訊器材很難做到整體的配合攻擊。經常發生命令一個主攻營和輔功營一起攻擊，下級對攻擊時間無法精準掌握，主攻營敗陣時輔功營才來。所以夜間攻擊也很混亂。

八路軍對日軍工事不了解，由於日軍打通了窯洞。八路軍剛剛拿下了一個窯洞，沒等緩過神，這個窯洞又在八路軍後面開火造成了十分可觀的傷亡。

129師對關家垴岡崎大隊發起的連續兩天兩夜的不間斷輪番攻擊終於結束，原因是日軍2500多援軍很快趕來，八路軍被迫撤圍退出戰鬥。

戰鬥結果：八路軍傷亡2000多人。日軍傷亡280餘人，戰死63人。

抗戰史上八路軍為數不多的大規模攻堅戰以我軍失利結束，傷亡比為10:1 。關家垴戰鬥是一場徹頭徹尾的敗仗(八路軍近兩萬人沒打過日軍五百人，這就是歷史)，為此性格溫和的劉伯承對彭德懷大發雷霆。然而電視劇《亮劍》卻把它美化成了一個神話。徹頭徹尾的篡改史實，居然還有人在《百家講壇》上力捧《亮劍》，可見當今的某些專家和學者是多麼的腦殘，劇本作者和導演又是多麼不負責任。電視台對如此電視劇大鳴大放純粹是臭不要臉！