此次参战部队有山东纵队第二支队、纵队警卫团及地方武装等，还有到此护送黄金的于得水率领的胶东第五支队交通营，也参加了战斗。

徐向前指出：“敌人这次的行动路线是过荆山，经孙祖，穿九子峰，继续向南。你们要把主力放在九子峰，给敌人以迎头痛击。敌人受挫后，必然强攻，你们要坚守阵地，给敌以狠狠打击。敌人的嚣张气焰被打下去之后，定会退守孙祖，你们要集中优势兵力，乘胜追击。这时，敌人就会顺着来路逃窜，埋伏在荆山的警卫团要断其后路。一定要在这里把它彻底消灭！”

部署完毕，孙继先等率山东纵队第二支队飞速赶往孙祖，其他各部也迅速进入阵地。

3月16日拂晓，敌人在抢劫了孙祖西北的代庄、大平一带后，经西铁峪向孙祖进犯。

行进到九子峰下时，埋伏在九子峰上的第二支队九连战士迅速运动到山下，突然给敌人以猛烈袭击。

八路军的突然动作，使敌人措手不及。敌人慌了，人马乱作一团，四处奔逃。

这时，埋伏在周围几个小岭上的战士，一齐开火。霎时，枪声大作，火光四起，手榴弹密集地投向敌群炸响。

敌人迫不得已，只好就地组织进攻，他们兵分两部，一部在大路附近找到一块隐蔽地反抗；另一部冒险过河，企图占领河南岸一带山岭。

双方展开了激烈的争夺战。在伏击部队的猛烈射击下，敌人血肉横飞，许多被打死的骡马也横倒在沙滩上。

敌人不敢恋战，迅速收拢人马，妄图从西南方向冲开缺口逃脱。

见此情况，孙继先赶快命令一连即刻从南山脚下迂回到敌人后面，又命令二连迅速占领北面的小山，堵住敌人的退路。

凶恶的敌人见无路可走，不得不掉转回头，再次抢夺九子峰，妄图冲破包围圈。

守卫在九子峰西头的九连指战员，沉着等待。当冲来的敌人离阵地只有30米左右时，连长曲平安紧握拳头喊了声：“打！”

随即，枪声、手榴弹爆炸声和战士们的怒吼声交织在一起，令敌人闻风丧胆！在烟雾弥漫中，敌人倒下一片。

敌人不甘心失败，在激烈的炮火掩护下，接二连三地往上冲。当敌人将要冲上山头，九连战士枪上刺刀准备与敌肉搏时，敌人一颗炮弹打来，曲连长身负重伤倒在血泊中。

几个战士赶忙要架他下火线，他坚决不肯。他强忍剧痛，吃力地坐起来，指挥战士与敌人搏斗。就这样，他们先后打退了敌人的七次进攻，守住了阵地。

时近中午，纵队司令部参谋处长罗舜初来到前沿阵地，了解战斗情况和兵力部署，慰问指战员，并指出：“今天下午还会有场恶战，你们只要能坚持到黄昏，就可以全线出击。”

下午1时，敌人集中了所有兵力，更加疯狂地反扑。敌人倚仗大量重武器，以密集的炮火来对付八路军。炮火燃着了山上的野草、树木，顿时烈焰蔓延，浓烟滚滚，熏得战士们睁不开眼，透不过气。

这时，敌人借着浓烟烈火，冲上山顶。战士们纷纷端起刺刀，与敌人展开肉搏，迫使敌人节节败退。

指导员孙秀泉喊了声：“同志们，杀啊！”带头冲下山去，追歼敌人，不幸被敌人的子弹穿透胸膛，壮烈牺牲。

黄昏时分，徐向前下达了全歼敌人的命令，战士们如虎添翼，冲下山来。

坚守在九子峰的三连一排排长李前仁，带头冲进山坡下敌人占据的一间小屋。

这时敌人已退守到这一带壕沟，李前仁迅速带领几个战士迂回到壕沟左侧，沿山坡摸下去，只见一伙敌人正在逃窜。

李前仁赶忙掏出手榴弹掷了过去，手榴弹一颗接一颗地爆炸，敌人发疯似的嚎叫着转回身来，机枪、步枪一齐扫来，李前仁冒着敌人的枪弹，端着刺刀扑上去，接连刺倒了几个鬼子。

当他拔出刺刀正要继续往前冲时，不料身负重伤，倒在血泊中，壮烈牺牲。

入夜，八路军数次冲入敌人阵地，与敌展开白刃血战。日军死伤惨重，被迫退入孙祖镇固守待援，八路军又将孙祖团团围住。

17日夜，八路军发起攻击，残敌支持不住，便大肆放火，烧民房20余间，将沿途抢劫的粮食、财物全部销毁，遂拼命向北逃窜。

敌人逃出不远，便遭到我纵队警卫团和地方武装的伏击，大部被歼。八路军趁铜井敌伪据点空虚，又一举收复铜井。

战斗中，孙祖附近的抗日民众自动组织起担架队、运输队、情报队，送茶送饭，送情报，运伤员。

战斗打响后，西高庄的拥军模范胡大娘仍坐在门口纹丝不乱地烧着茶水。有人劝她赶快避开，她却坚定地说：“我走了还行吗，前线的同志没有水喝，怎么能打胜仗呢！”

她坚持把水烧开，冒着枪林弹雨，提着水壶给战士们送水。

此战，击毙日军指挥官小林及炮兵中尉队长以下120余人，击伤70余人，俘伪军11人；缴获小车60余辆，军马5匹，大盖枪20余支，及其他军用物品一宗。八路军有110名指战员牺牲、负伤。

战后，中共山东分局和八路军第一纵队在孙祖召开祝捷大会，山东分局书记朱瑞、第一纵队司令员徐向前、山东纵队政委黎玉及群众团体代表在会上讲了话。

各界人士及广大群众踊跃慰问参战部队，《大众日报》发表了庆祝孙祖战斗胜利的社论。

1940年6月，徐向前奉命回延安，八路军山东纵队的名义随即恢复使用。此后山东纵队指挥其所属各部队对日作战。

1941年1月，八路军第一纵队番号被撤销。