下午1时许,敌人集中所有兵力,发动更加疯狂的进攻,借着浓烟烈火,冲上了山顶。战士们纷纷跃出战壕,端着刺刀,与敌人再次展开了白刃战。经过激烈的搏斗,敌军支持不住,节节败退,我军乘胜冲下山去,追歼敌人。

    黄昏,纵队下达了全歼敌军的命令。我军冲下山来,夺取了山坡下敌人占据的房屋,敌人被迫退到一条壕沟里。入夜,我军数次与敌人展开激战,迫使敌人退到孙祖,等待援兵。17日,在我军包围下,敌军支持不住,于是便大肆放火,烧毁民房20多间,将沿途抢掠的粮食、财物全部销毁。在我军的攻击下,敌人慌作一团,拼命向北逃窜。就在这时,铜井敌伪据点空虚,我军乘虚而入,将其老巢付之一炬。18日晨,战斗胜利结束。这次伏击战,共毙伤敌少佐小林以下190余人,同时还俘虏汉奸18名,缴获小车60余辆、战马5匹及其他战利品。

    孙祖伏击战,是沂蒙军民抗战以来取得的第一次重大胜利,它灭了敌人的威风,长了我军的士气,提高了全体军民抗战胜利的信心。