25日，日军3000余人在10余架飞机配合下，突破第66军第151师阵地，攻占吕田。
为配合近卫旅团作战，第18师团和海军陆战队作为右路，于12月中旬由增城沿增江支流北上，至25日先后攻陷龙门、派潭，正果，永汉，地派，梅坑等地。
第63军153师，第151师和dú • lì 第20旅退守金竹园，沙田一线。
24日，当左翼日军强渡潖江，威胁广东战时省会韶关，广东省主席李汉魂向中央求援。
国民政府军事委员会急调土木系第54军陈烈部，由湖南驰援粤北。归余汉谋统一指挥。
12月29日，右翼日军攻占翁源。30日，左翼日军又占英德，其先头部队抵达新江墟。韶关危急，广东省府遂临时迁往连县。
12月26日-31日为反攻阶段。1939年12月下旬，日军在桂南会战中损失严重，特别是昆仑关战役；国民党中央军精锐第5军重创日军精锐第5师团主力第21旅团；安藤利吉遂决定缩小粤北战役的规模，将主力转用于桂南。
12月26日，余汉谋根据敌情，令各军全线反攻。
当日，余汉谋在致蒋介石的电报中称：“职部自上月中旬，挥军奋战，于今月余，敌既倾巢而出，我亦全面动员。始则我攻敌守，源潭一役，鏖战四昼夜，毙敌二千余。继则敌蜂拥而来，全面进犯，益以空军助战，势更猖狂。我总预备兵力，既全使用于攻势决战，其余方面，不能不暂为防御。本周以来，伤亡过半。敌既逼我主阵地，一本其钻隙迂回之战法三面突进。我死守阵地，既无益于战况之推移，逐步战守，亦难以遏阻敌人之凶焰，一部逆袭，又无补大局。以此情形，既幸而能支援若干，然而后援既无可期，前途益难进展。故本求仁得仁之决心，实行破釜沉舟之决战，庶几死中求生，亡中图存。即日乘敌深入，部队分离，山地崎岖，后方空虚之际，全部转移攻势。以第63军长张端贵，率领151师，153师，154师，186师，独20旅，教导团等，紧蹑敌后，袭击梅坑，吕田，良口之敌，由南向北进攻。以62军黄涛，率领152师，157师，自佛冈附近，先向东南方攻击从化，增城敌军之根据地，再与63军协同，全力反攻。以缪副总司令培南，指挥65军，力守主阵地。余汉谋率直属部队，亲赴前线，并发动民众空室清野，以策全面之作战。”
12月27-31日，第62，63，65军及地方自卫团等在梅坑，吕田，牛背脊，良口一线向敌反攻，苦战5昼夜，收复原阵地部分要点。
12月30日，中央军第54军主力到达曲江，其前锋向翁源、青塘攻击前进。粤军第65、第62军则转向从南夹击之势。日军开始全线撤退。
此时，黄涛将军率第62军突然穿插，奇袭日军后方的重要据点牛脊背。
牛脊背在从化县城北约40公里处，位于翁源至从化公路上，为日军重要补给据点。黄涛部重创日军近卫师团1个联队歼敌千余人，并将敌储存的粮秣，dàn • yào ，车辆全部焚毁。使中路日军因后方补给线被截断；彻底改变了战局。
1940年1月1-8日为追击阶段。早在12月20日，日军就已决定缩小作战规模，将作战目标从韶关改为翁源、英德一线，企图尽快结束军事行动。
由于急需增援桂南会战和粤北兵力不足，再加上补给困难，安藤利吉令粤北日军于1940年1月1日，从翁源、大镇、河东之线分头南窜；向广州方向撤退。
余汉谋令第54军由官渡向青塘，白沙，石岭，从化追击；第63军在回龙，水口，梅坑间，尾击日军；第62，65军分别在沙田，吕田，良口和青塘，黄牛头，牛背脊间，截击，尾击日军。
1月1日起，日军在10余架飞机的掩护下，分路南撤；一路由白沙向水头，一路由佛冈向从化撤退。
2-8日，国军先后收复翁源，官渡，从化，良口，派潭，永汉等地，先头部队逼近神岗，太平。日军退回广州，增城。
此役据日本防卫厅战史室编纂：《日本军国主义侵华资料长编——（日本大本营陆军部）摘译》（上），日军阵亡293人，伤1281人。
而据第4战区司令长官司令部记载，国军伤亡17400名。而《民国余上将汉谋年谱》则称“毙敌军官236名，士兵9800余名。伤敌军官87员，士兵3700余名。俘敌军官4员，士兵58名。虏获敌火炮10门，炮弹800余颗。重机枪12挺，轻机枪33挺，步枪330支，子弹35000余颗。夺获敌军马80匹，伤毙敌马千余匹，及其他军用品甚多”。
双方战报都存在缩水，夸大。但第一次粤北战役的胜利，大大鼓舞了广东军民的抗战信心。
在会战结束，第12集团军政治部在曲江公园举行“粤北大捷战利品展览会”，以宣传此次会战的战果，鼓舞抗战斗志。
在战役进行时，蒋介石也密切关注，并自拟对敌精神作战之发言稿：“汪逆又到粤乎，其将设立华南伪组织乎。敌果有打通粤汉路之计划与实力乎。敌由粤北攻，其必利用汪对粤军将领利诱梦想。上午批阅自读昨拟军会发言人驳斥敌方妄报之稿甚觉得意，此又一篇对敌军攻心之文，如能生效，当可制止敌军进占韶关与打通粤汉路之野心。”
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