9月29日，在昙花楼附近的日军残部见东逃无路，西窜无门，遂企图从鲁柏山西南经燕川向慈峪方向逃窜。因此，鲁柏山一带就成了陈庄歼灭战的最后一个主战场。
上午10点左右，敌人集中了剩下的全部力量，拼命地向鲁柏山爬去。鲁柏山层峦叠嶂，十分陡峭。敌人满以为爬上鲁柏山就能居高临下，抵挡一阵子八路军的攻势，从而等待外援，伺机逃脱。但没想到刚刚爬到山顶，就遭到了八路军炮火的猛烈轰击。尔后，八路军战士又从四面八方聚向鲁柏山，残敌这下真成了瓮中之鳖，可谓是四面楚歌。龟缩麇集的敌人在各种火力打击下，顾头不顾腚，许多人都摔下了山崖。此时，日军的骡马、辎重和重火器全部丢掉了，活着的也只剩下四五百人。
至此，残敌仍妄图摆脱八路军的重重包围，从西侧溜走。但他们哪里知道，八路军4分区5团，早已在万寺院一带设置了阻击阵地，堵住了他们的去路。游击队和边区群众也已将大小山沟和荒僻的小道堵了个水泄不通，真可谓是天罗地网，任小鬼子插翅也难逃！日军这时被迫又龟缩在万寺院东北侧一个方圆不过几百平方米的小山顶上，无粮无水，缺弹少药，又不时遭受八路军炮火的猛烈打击，处境更加困难。
11时许，八路军再次向被围日军发起攻击，并以迫击炮向敌群轰击。日军完全丧失了往日的威风，个个心胆俱裂，抱头鼠窜。
在战斗的收尾阶段，八路军战士在鲁柏山西南，发现一股五六十人的日军，企图向万寺院方向逃命。师首长当即命令部队进行追堵，消灭这股妄图逃窜的日军。
日军急急如丧家之犬，仓皇奔逃，八路军堵截部队迎头以密集的火力射向敌人，不少日军纷纷倒地。此时八路军的一个连长命令战士们暂停射击，准备活捉这伙日军，便带一部分战士向敌人侧后方绕去。八路军战士们暂停了射击，敌人那边的枪声也逐渐稀疏了下来。见此情形，正面堵截的八路军战士便向日军喊话：“缴枪不杀！八路军优待俘虏。”
疯狂的敌人在听到喊声后却又开始射击。就在这时候，那位连长带领的一部分战士已绕到日军侧方后方，只见一个身着黄呢军服的日本军官（水源义重）手挥战刀在大声呼喊着，正指挥火力向八路军堵截部队猛烈射击。这位连长便悄悄向身边的战士要了一颗手榴弹，轻轻地拧开盖子，猛地拽开发火线，使劲儿投向这伙负隅顽抗的敌人，“轰”的一声巨响，手榴弹在日军中炸开了。
就在这声巨响过后，那个自称“天才指挥官”的水源义重少将便魂飞烟灭，做了异乡之鬼。这位连长随即率领战士们冲了过去，只见一个受了伤的日军大佐跪到河滩边正准备切腹自绝，八路军战士一枪便结果了他。余下的日军见状四散逃窜，有的爬在大树上，有的龟缩到坞塄里，还有的逃至万寺院村，都被八路军捕获，无一漏网。
9月30日晨，彻夜的枪声停止了，火红的太阳从东方升起，万道霞光照耀着周围的群山与村落。慈河两岸、鲁柏山周围，到处横七竖八地躺着日军的尸体，足有1000多具。
至此，历时6天5夜的陈庄歼灭战胜利结束。