刘、徐、邓沉着地指挥部队转至外围后，认真研究了形势，一致认为，不给日军一个沉重的打击，就不能彻底粉碎敌人的“扫荡”。
1月21日，刘、徐、邓及各集团负责人在第129师师部共同商讨反“扫荡”的作战问题。早就憋不住火的陈赓建议：
“鬼子在平原作战气焰非常嚣张，仗着它有汽车和机枪、小炮，一发现八路军的部队就追，特别是受袭后更是穷追不舍，我看可以利用它这个特点搞个伏击。”
“这个想法很好。”刘伯承欣然赞同，“鬼子是势利的东西，这是日本法西斯狂妄独尊的必然表现。他根本看不起我们，受了袭击当然就不服气，急于报复。日军大本营不是说要利用我们退避的心理，奋勇进击，穷追而消灭吗？是可以用伏击打它一个冷不防，但关键是地形要选好。”
经过研究，大家决定把伏击地点定在威县以南的香城固。
威县是南宫以南的一个县城。日军占领威县后，继续向北进攻，威县成了日军的一个重要补给点，由第10师团40联队一部驻守。当时其周围仅有少量日军，广大乡村仍然被掌握在抗日力量的手中。以威县之敌为歼击对象非常理想。
2月4日，陈赓率部进驻香城固。副旅长韩东山和旅参谋长周希汉对香城固周围的地形进行了勘察，发现香城固西北一带的沙滩是个理想的伏击战场：一条要干涸的河道在香城固穿过，河道两边是大片的灌木、草丛，公路就修在河道里。香城固西侧不远处有一道几十米高、1000多米长的沙岗，岗边有个叫张家庄的村庄。东北1.5公里外的庄头村，地势也是隆起的，与西边的张家庄遥遥相对。不难看出，这是一个两边高、中间低的地形，是平原地带比较难得的伏击战场。
当韩、周向陈赓、王新亭汇报了敌情和香城固西北一带的地形后，陈赓连声说：“好，好！香城固西北一带的沙滩确实是一个很理想的袋形伏击阵地，而威县守敌恰好可作为我诱击之对象。”王新亭也支持陈赓的决定。
在组织各团干部秘密察看了那里的地形、地貌后，陈赓做了战斗部署：第344旅688团团长韦杰率领该团第1营在香城固担任正面阻击任务，团主力进至张家庄担任从西向东的侧击任务；补充团位于庄头村一线，担任从东向西的侧击任务；新1团以一个营钳制曲周之敌，防止其增援，团主力于马落堡地区担任切断敌之退路的任务；骑兵连为诱敌部队。
部署完这个口袋阵后，陈赓对几位团领导说：“你们各团派出一部分部队，在2月7日、8日、9日，连续3天袭击威县县城，要千方百计诱敌出城。”
2月9日晚，战斗准备开始了。第386旅的干部、战士在香城固西北老沙河西岸一带，展开了一场构筑工事的紧张战斗。附近几个村的民兵模范班和老百姓也前来助战。他们按照工事构筑方案，筑成一道2500米长的菱形战壕。壕边移栽了一丛丛红柳树，把阵地隐蔽得严严实实。天快亮时，这个口袋阵神不知、鬼不觉地筑成了。
周希汉对阵地仔细检查了一遍后，即命令部队进入阵地，迅速做好战斗准备。这时，香城固区区长郝立顺跑来报告：100多名参战群众、5个向导、7个掩护伤员的堡垒户，还有30副担架，都准备好了。真可谓万事俱备，只等着鬼子来送死了。
威县城的日军连续两天受到袭击。他们自知威县的位置非同寻常，所以开始紧闭城门，并不追击。谁知9日晚上，八路军再次架起云梯攻城，日军被搞得心烦意乱。第二天早上，又见城南草场村一带战马奔驰，尘土飞扬，他们判断八路军主力很可能就在鼻子底下，于是决计出城报复。
上午，驻威县的日军第40联队补充大队一部和安田步兵加强中队，分乘9辆汽车，拖着一门山炮，载着两门92步兵炮，组成快速部队，像饿狼一样扑了过来。八路军骑兵连且战且退，诱敌步步深入。下午2时许，骑兵连在第什营村突然集中火力进行阻击，当场击伤敌补充大队长，击毙其翻译官和向导。当敌人跳下车组织还击时，骑兵连又故意撤离阵地。敌人被激怒了，随即爬上汽车，紧追不放。骑兵连行至耿家庄时，突然隐蔽起来，不一会儿又从香城固东南1公里外的康洼村出现，同时向敌猛烈射击。日军立即指挥汽车队离开公路，直扑骑兵连。骑兵连一看牵住了敌人，迅速朝预设伏击圈——香城固大沙河一带奔去，日军紧跟着进了伏击圈。
当敌人全部进入伏击圈，到达香城固村北街口时，埋伏在那里的688团立即给敌人以迎头痛击，击毁了头一辆汽车。敌人遭此突然袭击，慌忙组织兵力反击。日军安田中队长拿起望远镜一看，发现东、西、北三面什么动静也没有，只有正南面在阻击，就命令部队继续向正南八路军阵地冲击。然而，两次冲锋都被打了回去。狡猾的安田便分出一股兵力，由东向南，企图抄八路军的后路。但这股敌人刚接近庄头村，就被埋伏在那里的补充团两个营堵了回去，并被迫西窜。安田见东、南两面都遭到突然阻击，断定中了埋伏，便想突围逃命。这时，西、南、东三面各参战部队一齐开火，猛烈堵击、侧击敌人。敌人掉头向北突围。
这一面是伏击圈的入口，地势低，无法预先构筑隐蔽工事，也无法事先设伏。因此，当时决定待战斗打响后，由隐蔽在马落堡附近的新1团抢占。然而，由于敌人突然回窜，给新1团运动到北面抢占阵地造成很大困难。
情况相当紧急。如果不马上扎住北面这个袋口，敌人就将突围出去，使伏击计划落空。在这紧急时刻，许世友带领新1团2营冲了上去。当敌人的先头部队刚刚踏上大沙滩北坡时，新1团的战士们突然从西北冲上坡岗，冒着密集的子弹，向敌人猛烈射击，截断了敌人的退路，并将其团团围在大沙滩的中心——凹形洼地。
这是个椭圆形的沙窝，日军汽车大部分陷入沙窝，开不动了。有几辆开得动的汽车也被2营用集束手榴弹炸坏。安田惊恐万状，即令部队下车，重新组织兵力向新1团阵地冲击。敌人以重火力向新1团阵地猛烈轰击，炮火压得人抬不起头来，炸起的沙尘迷得人连眼也睁不开。新1团指战员沉着应战。
新1团是个新团，从建团到参加这次战斗才6个月。这样一支新部队要在地形不利且无工事的情况下，阻击日军两个加强中队的猛扑，确实是很艰难的。周希汉不断给新1团团长丁思林打电话，询问战斗情况，并再三要他注意许副旅长的安全。激战中，许世友一直冲在前面。为了他的安全，丁思林让警卫员把他拉回了指挥所，自己带着部队继续阻击敌人。
敌人的炮火停止了，百余名日本士兵端着刺刀冲了上来。周希汉回忆说：“那时候，我们缺乏弹药，像这样的战斗，每人也只发十几发子弹，经过消耗，剩下的已不多了。但是，我们的战士硬是用手榴弹、刺刀迫使敌人丢下20多具尸体败退下去。”
从16时30分左右直到傍晚，敌人发起了4次冲锋，都未能突破“口袋”口。于是，日军朝新1团阵地投掷了毒瓦斯弹。阵地上有很多八路军中毒，但干部、战士们坚持战斗，牢牢地守住了阵地。许世友深为新1团指战员们英勇战斗的精神所感动，后来他对别人说：“新1团从团长、政委到每一个战士，个个都是好样的。”战斗结束后不久，新1团被八路军总部授予“模范朱德青年团”的光荣称号。
安田见难以突围，便发出一串串红色信号弹求援，并命令日军再次向新1团东侧阵地冲来。在那里阻敌的6连弹药已经用尽，连长徐则贵、指导员刘子模率领全连端起刺刀，与冲上来的日军展开了肉搏，打退了敌人。
夜幕徐徐降临。敌人像热锅上的蚂蚁，在口袋阵内乱蹦乱跳。
这时，陈赓和王新亭从师部赶了回来，聚歼敌人的时机成熟了。只听一阵冲锋号响，突击队和武装群众跃出阵地，端着刺刀，从四面八方冲向敌人……
