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19日起，第57师正面日军攻势更猛。胡家山、老鹳巢相继被攻占；另一股日军攻乌龟山、沙子垴却未得逞，第57师组织反击，第9师予以配合，并以炮火支援，终于夺回胡家山阵地，歼敌大半。第57师伤亡也重。
20日下午，日军向第57师乌龟山、沙子垴、鸭掌庙阵地猛攻。守军坚决抵抗，尤以鸭掌庙阵地受威胁最大，双方反复争夺激烈异常，守军终因伤亡过重被迫撤退。第103师在松山方面发动攻击，牵制了日军，使乌龟山、沙子垴阵地得以守住。
次日拂晓，日军又向乌龟山、沙子垴阵地发动攻击并施放毒气，守军多人中毒仍坚守不退。最后乌龟山守军因弹尽粮绝，于当晚突围；沙子垴因得第103师策应，仍坚守阵地。
第26军赶到后，李延年令该军第44师接替第9师的枯咀山、竹影山、潘家山一带防地；第9师转移至马口湖南岸，协同第57师守备要塞。第87军一个团开来增援，李延年将该团拨归第57师指挥，该团接防周家山、崔家山一带阵地。第26军32师奉命攻击香山、骆驼山一带之敌，但未能奏效。
第2军防守阵地交给友军后，李延年决定组织第9师和第57师兵力，于23日拂晓实施反攻。希望能配合友军夺回一些外围阵地，巩固要塞防卫。但在这一天，日军增援大部队已到，连续攻陷四望山、铁石墩，突破第121师阵地，进袭位于张家湾的第103师指挥部，师长何绍周亲率师直属部队迎击。第121师在抵抗中几次遭到日军毒气袭击，伤亡惨重，最后残部仅能编为一个营，拨补给103师。
9月24日天晴，日空军出动助战，长江南岸富池口要塞失陷，日军舰溯江而上，田家镇要塞遭到猛烈空袭，守军伤亡极为惨重。李延年看到形势已十分危急，只得放弃反攻计划，考虑逐次抵抗，掩护撤退方案。他指派第9师一个团至马口湖以西周家铺，归第198师指挥，构筑预备阵地。日军不断增兵，李品仙又调第48军第174师增援，归第26军指挥。
9月25日，日军大部已向南进击，只留小部队牵制。第32、第44、第174师各一部乘机向四望山、铁石墩进攻，并占领两阵地。同时日军以30余只汽艇载兵于第57师侧翼阵地登陆，突破前进阵地，攻击崔家山、九牛山阵地，第57师退守桂家桥、荞麦塘阵地。日军对要塞狂轰滥炸，防御阵地被严重破坏，大减了要塞防御能力。
9月26日拂晓，日海空军再次对要塞进行了三个多小时卷毯式猛烈轰炸，要塞东正面主阵地遭到轰炸尤为猛烈，守军一个团伤亡三分之二，仅剩下约一个营的兵力。日军选择东正面为突破点，在炮击轰炸同时，日军一个大队朝东正面主阵地扑来。守军残部将士抱定与阵地共存亡之决心，各种兵器喷吐着仇恨的火焰射向敌人，在坚决猛烈地痛击下，骄狂的日军一排排倒下，余生者仓皇溃退，然后又是炮击和轰炸。
李延年见各部队伤亡过大，只得收缩防御阵地，令第9师及第57师防御何家、香家、下李之线，并将作战及防御情况向第五战区报告。李品仙得悉要塞危急，严令第26军向南侧击，但军长萧之楚用兵不果敢，奉命进展迟缓，侧击无力，对要塞战局并没起到策应作用。
最为惨烈的，是第9师与第57师接合部新下屋以西的防御战。第9师周义重团长率全团死守阵地，日军采取波浪式进攻，该团坚决抵抗终日，予敌重创。该团伤亡也重，并被包围。另一股日军突破第9师防线，占领黑家山制高点，形势对该团更加不利。该团留下一个连在阵地上掩护，周义重率残部突围。结果他身负重伤，突围出去的官兵仅剩40余人。掩护突围的一个连伤亡殆尽，只剩排长袁次荣一人虽已负伤，仍坚守在阵地上。
阵地沉寂下来，日军蜂拥而上。袁次荣在阵地上转着圈向敌人掷手榴弹，由于不防日军死伤数十人。当日军发现阵地上只有一人活动时，便包围上来。袁次荣留下最后一颗手榴弹，在日军逼近时，拉断导火线冲向敌群。“轰”地一声巨响，袁次荣与敌人同归于尽了。
9月27日，日军出动两个轰炸机大队，轮番轰炸要塞核心阵地。同时日军约有七八百人在上洲登陆，而且后续部队源源而来。登陆日军与守军龙子玉团短兵相接，双方反复冲杀，该团始终坚守阵地，但团长龙子玉却在激战中壮烈牺牲。
9月29日，日军连续攻占阳城山、玉屏山。同时另一股日军在要塞核心区盘圹登陆，守军予以全歼。日军又在上洲登陆，并有水陆两用坦克配合进攻，以更大兵力再次由盘圹登陆，并用五艘炮舰配合其登陆行动。于是，田家镇要塞核心区发生混战。
李品仙得到李延年连续发来的战报，看到战局已难挽回，便下令李延年放弃要塞。当日要塞被日军占领。
田家镇要塞失守，李品仙向国民政府军委会报告战况经过，着重强调自田家镇要塞划归第五战区以来，该战区竭尽全力，调集重兵支援策应，已尽全力而为；其次指出防守初期江南第2兵团没能有力支援策应，以致要塞陷于被动，对李延年的用兵部署有所不满，意在将责任全部推卸干净。每一重镇失守，蒋介石总要追究一些将领的责任。这次自然也不例外。追究了第26军军长萧之楚“作战不力，指挥失当”之责，应予以查办。
萧之楚不甘于受此处分，便向军委会申辩理由：一是“天灾”，奉命时天下大雨，官兵均无雨具，冒雨行军十分疲惫，行动必然迟缓。二是“**”，李总指挥作战意志不坚，指挥混乱，时而命职部坚守，时而命职部进攻；时东时西，时南时北，无所适从。无稍固定方位和目标，使将士疲于奔命，战斗力消耗在来回运动之中。萧之楚的申辩，恰与蒋介石对李品仙的印象：“李鹤龄指挥打仗不行”相吻合，结果对萧之楚免于追究。
田家镇要塞防御战，历时半个月，守军伤亡极大，约两万人。虽以守军撤退而告终，却消耗日军兵力约八千人，严重打击了日军的嚣张气焰，达到了牵制敌人，迟滞敌人西进的战略目的。