9月28日，由于久未下雨，酷热异常。
薛岳在距汤坑30里之白水、分水一带首先与叶挺、贺龙的主力部队正式遭遇。
起义军向驻守汤坑制高点上的薛岳部发起了仰攻。
薛岳弄清对方是叶挺的二十四师后，就知道这一仗不好打，何况自己的部队大多是新兵，哪见过这种架势。
当叶挺的部队拿出北伐的传统作风，高呼着革命口号向山头猛冲时，其气势一下子震慑住了薛岳的士兵。
尽管薛岳嘶哑着嗓子要队伍集中火力拼命抵抗，但坚持到下午两三点时，整个阵地就再也经不起起义军潮水般的冲击而被突破，整个师陷入起义军的包围中。
最后，薛岳见实在顶不住，只好丢弃前沿的山头阵地，狼狈向后溃逃，并在起义军火力尾随射击下遗尸累累。
起义军发扬北伐时猛打猛攻的传统，跟踪追击，一直冲到分水坳附近。
陈济棠把指挥所设在距汤坑约十余里的北路小高地上。
他眼见薛岳部抵挡不住而全师败退，急令自己第十一师的第三十一、三十二两个团赶到分水坳的高地上组织防御，掩护薛岳残部撤退。
陈济棠的及时支援，救了薛岳一马，他得以在败退中一时稳住阵脚。
他知道自己的部队已失去战斗力，象征性地留下少部分兵力参战外，自己带着大部队大踏步向后撤。
起义军冲到陈济棠第十一师阵地前，遇上了难啃的硬骨头。
第十一师在广东军阀部队中战斗力是最强的，加上又居高临下，数量还占优势，自然就比较顽强。
在分水坳的山头上，双方反复争夺，甚至这方手榴弹投过去未爆炸前，对方又拣起来扔回来。
起义军第二十四师有一个英雄营长廖快虎，指挥部队反复冲杀，手下的人打光了，他自己坐在山头上与阵地同归于尽。
天近黑时，起义军死伤不少，陈济棠的第十一师也是伤亡惨重。
在激战之中，起义军中出现了个别叛徒，其中影响最恶劣的，就是刚由第七十团团长提升为第二十四师副师长的欧震。
欧震是韶关曲江人，是张发奎、薛岳的老乡，他在战斗中反戈投降，给起义军造成不小损失。
当时部队内共产党的组织不太健全，缺乏监督机制，一些人的叛逃自然难以控制。
后来，欧震受到张发奎、薛岳的赏识，官运比较亨通，成为他们手下的一员大将。
激战至9月30日天明，因部队在两天中伤亡高达2000余人，其中第二十四师伤亡过半，弹药也消耗大部，实在无力再攻，叶挺和贺龙只好下令队伍向揭阳后撤。
陈济棠一时不明起义军虚实，也不敢追击。
从表面看，汤坑一仗，国共双方打成对峙，最后都撤出了战斗。
起义军以6000人攻敌15000人，火力更远不如敌，开始还击溃了薛岳师，最后又使陈济棠师受重创，国民党军伤亡在3000人以上，远大于中共部队，用陈济棠自己的话说：余自从戎以来，经历大小战役不少，而以此役为最惨烈。
这表现出中共革命军队在精神上压倒敌人。