待到炮火缓缓延伸，朝着山体后方隘口与退路进行压制时，早已蓄势待发的攻坚步兵即刻发起冲锋。新6军211师由师长刘吾放亲自率领，麾下机械化步兵团舍弃山前平坦通路，沿着龟山后山人迹罕至的陡峭险路隐秘穿插。后山是日军防御的薄弱环节，守军兵力稀少，工事也相对简陋，这正是国军选定的突破口。机械化部队凭借灵活的机动能力，逆势登山，悄无声息绕至日军阵地后方，迅速抢占各处要道，牢牢封锁山体所有后山退路与峡谷隘口，彻底断绝了龟山日军向城内逃窜、向后方求援的通道。
山前阵地，孙楚亲自率领新一师主力步兵稳步推进。将士们沿着平缓坡地逐层向上进攻，轻重机枪班组分散站位，构筑临时火力点，密集的弹雨死死压制山体上残存的日军火力。步枪兵、冲锋枪兵结成战斗小组，相互掩护向前跃进，爆破手紧随其后，专门对付那些侥幸留存的暗堡与火力死角。全军将士秉持着逐壕清剿、逐点拔除、逐段推进的战术，一步一个阵地，稳步压缩日军的活动空间。
陷入包围的日军自知退无可退，依托山体岩石死角、残破工事负隅顽抗。他们借着居高临下的地形优势，组织起数次反扑，端着步枪、刺刀嚎叫着冲下山坡，试图将国军攻坚部队赶下山麓。可如今龟山前后皆被封锁，国军形成前后夹击之势，密不透风的火力网覆盖整片山地，日军赖以依仗的地理优势荡然无存。零散的反扑刚刚发起，便被迎面而来的弹雨彻底碾压，冲在前方的日军士兵纷纷倒地，残余人员只能缩回残破阵地，继续垂死挣扎。
两山之间的血战从午后烈日当空，一直持续到黄昏落日西垂，整整三个时辰未曾停歇。龟山之上硝烟久久不散，浓重的火药味混杂着血腥味弥漫在山林之间，喊杀声、枪炮声、爆炸声交织在一起，震彻山谷。日军守备部队节节败退，从山腰退至半山，再被逼向主峰，纵然全员死战不退，凭借工事拼死抵抗，却依旧无力扭转战局。夕阳余晖染红天际之时，孙楚指挥新一师主力冲上龟山主峰，将士们端着枪械肃清阵地内最后一批负隅顽抗的残敌，龟山要塞至此彻底易手。山上幸存的少数日军眼见大势已去，彻底丧失战斗意志，纷纷丢弃枪械护甲，趁着夜色尚未完全降临，沿着山间偏僻小径狼狈奔逃，拼尽全身力气逃往岳阳老城。这座拱卫城西的重要制高点，彻底被五十一集团军掌控。
与龟山战场同步展开攻势的君山战场，战况同样进展迅猛，国军攻势势如破竹。
驻守西线多年的新7军217师成为君山攻坚的绝对主力，师长龙文章深谙山地作战之道，麾下官兵常年在湘西复杂山林、高地之间驻防训练，精通山地穿插、高地拔点、丛林攻坚等各类战术，是全军公认的山地精锐部队。接到作战命令后，龙文章不敢耽搁，率领全师官兵昼夜急行军，从西线南山阵地全速东进，长途奔袭数百里，悄无声息地抵近君山山麓。
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