在优势装备与火力的中国军队面前，日军损失惨重，几乎无一刻能够获得局部性成功。日方右翼兵团曾组织了一支山地作战特种部队“重广支队”，于4月24日至29日之间，试图乘雷雨掩护，偷越湘乡县境内的龙山，绕道向新化方向挺近，企图一举占领芷江机场。洞悉其企图的第73军15师抢先到达雪峰山南麓的杉木山、洋溪一带，占据了有利地形，并借助火力优势，将缺乏重武器与空中支援的重广支队逼退至洋溪洞里水田中的十几个村庄内。时任15师代理参谋主任刘养锋回忆说：“第15师士兵都是湖南人，对日军的侵略暴行，恨之入骨。”由于部分单位装备了优质美械M1A1汤姆逊冲锋枪与M1917式步枪，还有一个装备美国M1A1 75毫米山炮的山炮营为火力支援，密集扫射轰击之下，日军尸体遍布水田之中，“血肉模糊，田水尽赤”，总体伤亡在千人以上，不得不于月底向湘潭方向溃败撤退。
第74军57师171团第二营机枪连二连连长萧峥回忆说，自己连队配备有二四式马克沁重机枪六挺，“全员官兵士气高涨，摩拳擦掌”。5月上旬，部队经猫儿峪，抵达江口：“江口地势险要，邵阳——安江公路从中间通过，虽系弹丸之地，从军事角度上说，至为重要——如果江口失手，芷江机场就受到严重威胁。”此时第二营营部已经有美军对空联络官，不断呼叫中美空军军机对日军进行地面打击，在空中优势火力掩护下，中国军队先是“疏开隐蔽前进，距离敌阵约150米时，轻重机枪、迫击炮火力猛然开火”，士兵们“如狼似虎，发起冲锋，一举占领敌人左翼阵地，并发生激烈肉搏战。美国空军联络官见到此景，不住伸出大拇指，高呼OK！”是役结束后，萧峥因作战勇猛，与连长周北辰等军官一起，被前来视察的何应钦与魏德迈分别授予干城与银星勋章。
5月8日拂晓，中国军队开始全线反攻，仅仅一日后，雪峰山一线日军就开始纷纷后撤，20日，日军“全线均告崩溃，残敌狼狈向邵阳方向窜退”，战役即转入中国军队追击阶段，6月7日凌晨，四方面军司令部已向重庆报捷，战线已恢复至会战前态势。
湘西会战中，中美空军完全掌握了制空权，届时，日军拥有飞机仅有135架，而参战的中国空军就有驻芷江的中美联合空军五大队，第一、二、三大队部分战机，以及前来助战的陈纳德美国第14航空队。根据何应钦回忆录《抗战八年》中的不完全统计，在60天的会战中，仅仅五大队的P40与P51战斗机即出动942架次，第一、二大队的B25中型轰炸机分别出动112架次与58架次，美国空军联络官已经配属到中国军队营级单位，配备无线电台，在距离敌阵不到1000码距离内呼叫空中打击，并不断修正目标，对于隐蔽密林深处的日军，亦采用凝固汽油弹开展“火狱”式打击，并曾于邵阳、放洞之间，仅靠空中打击，就造成日军一联队与附属炮兵全灭。由于制空权丧失，进犯日军尝到了较之抗战初期中国军队更为苦楚的境遇：整个会战期间，日军基本不敢用汽车大规模运输粮弹物资，只能选择畜力人力于崎岖小道输送，行军进犯亦刻意避开公路。
何应钦在《抗战八年》中记述说，湘西会战，毙敌1.2498万人，日军总伤亡高达2.7万人，另有1000余人在团团围困中绝望自戕，中国军队阵亡人数约在7800人左右，虽在最后阶段，因军令混乱、前方部队误判，错过全歼敌116师团之良机，但仍属难得的全胜之局。
正在湘西战场硝烟未散之际，魏德迈于6月巡视了长江南部中国军队的各条防线，行程累计达到数千公里，他主持下制定的中国战区反攻计划也宣告出炉。这一代号“黑金刚钻”（Operation Carbonado）的作战方案，计划由全新美式装备训练的36个“甲种师”（美军称为阿尔法师）为主力，辅以20个装备训练完好的普通陆军师（美军称为贝塔师），进攻广州与香港地区，如遭遇日军顽强防御，则以一部牵制，主力东进夺取温州、福州与厦门。
根据中美参谋联合会议的预计，在广州、越南、海南岛、雷州半岛等地之日军总兵力大约为33万人，所以策略为“先攻略桂林，夺取雷州半岛”，再攻击衡阳，主力沿西江进逼广州，使用兵力包括卢汉第一方面军、张发奎第二方面军以及汤恩伯第三方面军，中美空军亦必须开始对日军海上残存舰队进行攻击，美国海军也将计划参加攻击广州与雷州半岛之战。
此刻，由于欧战结束，美国陆军部此时已考虑将小乔治·巴顿以及小鲁西安·金·特拉斯科特将军（L.K.Truscott Jr）等欧洲战场功臣名将调至中国战场服役，为此马歇尔亦申请将魏德迈升任四星上将。