1940年10月，在八路軍連續大規模的破襲和攻擊下，“百團大戰”取得了空前的戰果，順利進入第三階段的作戰。損失慘重日軍決定不再坐以待斃，調動數萬兵力對華北各抗日根據地進行掃蕩，所到之處實行“三光政策”，老百姓深受其害。

10月下旬，日軍36師團岡崎大隊在執行掃蕩任務時，因為地形不熟，竟誤打誤撞闖入八路軍設在黃崖洞的兵工廠，將其盡數燒毀。聞訊的彭德懷急令386旅前往增援，雖打退了日軍進攻，但卻為時已晚。面對日軍一路上的燒殺搶掠和破壞行為，彭德懷大怒，決定親自指揮129師消滅這股來犯之敵。

29日下午，彭德懷正式下達作戰命令：129師 386旅、新編第10旅由劉伯承指揮，385旅、決死一縱由陳賡指揮，分別從東西兩側對岡崎大隊發起攻擊，并封鎖其退路，以求達到全殲其部的戰略目標。彭德懷還特意調來一支山炮連，親自指揮，誓要啃下岡崎這塊硬骨頭。而面對八路軍的合圍，岡崎大隊的反應非常迅速，連夜搶占關家垴高地，并修筑工事，決定固守待援。

關家垴位于太行山腹地，四周山嶺起伏，溝壑縱橫，地勢非常險峻。并且關家垴自身的地形也非常奇特，其頂部為平地，可以駐軍防守。北面為懸崖深溝，東西兩側坡度極陡，只有南面地勢平緩，可做進攻路線。但南坡對面又有一名叫柳樹垴的山崗，地勢更高，與關家垴互為掎角，可以相互進行火力支援，封鎖攻山道路。簡而言之，關家垴的地形，“一夫當關，萬夫莫開”。

并且日軍構筑的防御體系非常科學，修建了大量的臨時工事、暗堡掩體、可以藏兵的“貓耳洞”。還將崗上的窯洞全部打通，每個窯洞放置一個機槍陣地，可以相互掩護，形成交叉火力網。同時在陣地前挖掘防彈壕，減少手榴彈的威脅。

這次戰斗，八路軍投入兵力達到了8個團，共1萬余人。而岡崎大隊的參戰兵力在510人左右，并攜帶有3門山炮。雙方兵力到達20:1，對于八路軍來說，這是少見的富裕仗，全軍上下都抱定了一個信念，那就是吃掉岡崎，一雪前恥。

在發動總攻前，八路軍副參謀長左權研究了前線態勢，認為關家垴一帶地勢復雜，不利于大部隊強攻。為了揚長避短，左權決定利用日軍修建完工事的疲勞期，先令特務團進行夜襲，配合兄弟部隊發起總攻。但當特務團剛剛摸上山腰，就被日軍隱藏在窯洞的機槍陣地打了個措手不及，被迫停止進攻。

30日凌晨，彭德懷發出總攻的命令，八路軍各部對關家垴和柳樹垴同時發起強攻。決死一縱38團僅用2個小時就拿下了柳樹垴，解決了后顧之憂。但對關家垴的進攻，卻開展得并不順利。天亮之后，幾架日軍戰機前來支援，八路軍暫緩進攻。而岡崎大隊利用這個契機，發起了反擊，奪回了柳樹垴。

日軍占據有利地形，又擁有強大的火力網和防御工事，八路軍突擊部隊的沖鋒不斷受挫。385旅計劃從西北陡崖奇襲，也因為日軍發現而受阻。各路部隊先后受挫，傷亡較大，戰斗陷入膠著狀態。

在前線指揮的陳賡意識到強攻代價太大，請示彭德懷“地形對我十分不利，能否把岡崎大隊放下來，另選戰場打他伏擊？”彭德懷的態度非常堅決“不行，放虎歸山，就再難打著他了，拼光了也要拿下關家垴。”陳賡急了“這樣的打法，我不贊成！”“有意見保留，命令必須執行。”彭德懷直接扔下了電話。

另一邊，劉伯承也認為部隊傷亡太大，請求先行撤圍，另尋戰機。彭德懷反復強調岡崎大隊已是強弩之末，這個時候撤等于前功盡棄。劉伯承在電話里大喊“這么打我們賠不起啊，你這是在蠻干！我不同意再打。”彭德懷也犟“拿不下關家垴，撤了129師番號。”

在指揮所一直舉著望遠鏡的劉伯承，終于在關家垴斜坡的黃土上找到了突破口，下令部隊“挖暗道，通上去！”困守1個晝夜的岡崎大隊，確實已經到了山窮水盡的地步，最后的主陣地也即將被攻破。但這個時候，日軍的增援部隊已經逼近關家垴，八路軍不得不選擇撤圍。

血戰關家垴，八路軍傷亡2000余人，日軍傷亡149人。此戰雖未全殲岡崎大隊，但對日軍震動極大。并且通過戰場的磨礪和戰后的總結，八路軍各參戰部隊的戰斗力都得到了極大的提升，日軍留下的防御工事也被我軍借鑒學習，強化了八路軍的防御作戰能力。

對于關家垴一戰，有人認為彭德懷在指揮上過于固執，沒有采納劉伯承和陳賡建議的游擊作戰的戰術，而是選擇了八路軍最不擅長的攻堅戰、陣地戰。劉伯承在百團大戰后做總結時，也提到我軍戰術有時過于直接，增加了傷亡。

但是特務團團長歐致富曾經回憶，彭德懷之所以選擇強攻關家垴，是認為八路軍正是要通過百團大戰來學習如何猛攻堅守，啃硬骨頭。要成為一支正規軍，不但要會打游擊，也要能打硬仗。參與戰役的決死一縱政委薄一波也說，關家垴傷亡雖大，但一縱參戰的2個團也打出來了，成為了主力團。

所以關家垴一戰，彭德懷和劉伯承之所以曾在指揮上出現爭議，其實也反應出那個時期，八路軍指揮員戰術戰法多元化的一個改變。能打硬仗，能做奇兵，能攻堅，能游擊，才真正能成為一支百勝之師。