为了“坚决防止红军南下进入广西和尽快把红军赶入贵州”，桂军对刚刚渡过湘江的中央红军进行了穷凶极恶的追击。十二月二日早八时，桂军第十五军军长夏威致电第四十三师一二九团团长梁津，说在千家寺附近有近五千的红军在休息，要求一二九团迅速绕小路向那里迂回。梁津找来了当地的一名瑶族人当向导，一二九团随即出发了。说是小路实际上无路可走，天快黑时，一二九团才接近目标。梁津在一个山脊上用望远镜看了看，他看见了军长夏威所说的那支红军队伍——“田野间枪架成行，整齐地排列着。附近炊烟四起，红军战士有的围坐休息，有行动往来者，似将用晚膳的时候了。”梁津立刻命令部队分三路顺着山涧隐蔽向红军接近，在距离红军部队不到八百米的地方，桂军一二九团突然开始了攻击。

桂军的攻击达到了袭击的效果，从红军部队瞬间发生的混乱来看，他们对桂军如此顽强的追击并没有思想准备。红军官兵在混乱中本能地拿起枪还击，然后逐渐形成了阻击线。红军的阻击线一旦形成，桂军立刻被眼前的情景惊呆了：山涧突然燃起了千万只火把，这些火把聚集在一起，向着大山深处绵延数里地蜿蜒而去。

当桂军终于冲破红军的阻击线时，发现红军做好的饭还热着。

留下阻击桂军的，依旧是红五军团的数百名官兵。这些疲惫的红军在大部队迅速离开千家寺之后，顽强阻击着洪水一样汹涌而来的桂军，不久，他们就被桂军从四面包围了——桂军一二九团从正面袭来，一二七团从另一个方向包抄上来。这个团在包抄的时候，快靠近山口了却听见激烈的枪声，远远看去，崎岖的山路上红军部队正向大山腹地前进。为了不使自己的攻击变成被红军包围，一二七团竟在原地等了一阵，等红军大部队远去了之后，他们才突然从山脊上冲下来用火力封锁了山路。红五军团的官兵后路已绝，并且受到两支桂军的前后夹击。

经过大约一个小时的战斗，两支桂军把还活着的十几名红军挤压在了一个小山窝中。一阵猛烈的扫射之后，桂军在这个遍洒着红军鲜血的山窝里缴获了红军的一些政治书籍，其中一本名为《侦探须知》的书被上交给白崇禧，白崇禧命人稍微删改之后下发到部队，红军的《侦探须知》成了桂军的军事教材。

桂军接下来的搜山行动十分不顺。在一个岩洞里，他们发现了大约三十名红军官兵，桂军劝说他们投降，结果遭到了红军的激烈抵抗。趴在洞口劝说的一名桂军副连长被红军一枪打死了。桂军立即开始了报复性攻击，岩洞里的红军官兵最终全部战死。另一股桂军搜查到一处红军曾经宿营的地方，那里有一个用竹木临时搭起来的台子，上面贴着很多标语，看来是红军开大会用的。在台子下边，桂军发现了十几名红军官兵，看上去是因为负伤和重病已不能行动了。桂军军官们聚在一起紧急磋商，他们认为红军不可信任，弄不好这些人是伪装留下来的，等桂军对他们丧失警惕后他们就会突然发动袭击。磋商的最后决定是：全部枪决。

一阵乱枪之后，大山寂静了下来。

在确定红军已经到达贵州边界后，桂军停止了追击。

湘江一战，中央红军由从苏区出发时的八万六千余人锐减到三万余人，其中仅牺牲和失踪的红军官兵就高达三万五千人。