1945年4月27日，日军在坦克和近百门火炮的配合下从三面对国民革命军第58师发起强攻。连续进攻三天，日军伤亡惨重，却只突破了城外的简易二道防线。
中国军队最后一道防线和武冈城墙极为坚固，日军炮火根本无法将其摧毁，同时第58师防御火力极为顽强。
1945年5月1日，日军集中全部火力进攻武冈西门，数百特日本攻队员在炮火掩护下一拥而上。大部分队员在离城墙很远的地方就被击毙，少数靠近城墙引爆了炸药，将城墙炸出十多个洞。
守城的士兵和自发参战的老百姓马上投出数百个大沙袋，把十几个洞全部堵死。
日军又以人海战强攻，一度曾经架起梯子爬上了城墙。守军果断使用美制喷火器，烧断木梯，同时用汤普森冲锋枪对城下日军猛烈扫射。双方激战一天，日军伤亡惨重仍然无法靠近武冈县城。
中国守军也伤亡较重，向上级求援，王耀武命令武阳的第44师一部立即增援。日军突遭第44师袭击措手不及，由于第44师的士兵冲击极为凶猛，日军一度认为中国数万人来增援，顿时大乱。
武冈守军乘机全部出城夹攻，日军大败，日军各级军官不顾武士道精神扔下士兵逃跑，士兵也跟随逃亡。中国军队各部穷追猛攻，日军殿后部队伤亡惨重，最后溃败到武阳外靠近绥宁一线。
武冈之战，中国军队一个营兵力与拥有坦克重炮的十倍之敌血战七天七夜，力保千年古城武冈不失，堪称抗日战争史上的一个伟大奇迹。
