汀泗桥防线失守以后，吴佩孚有点懵了，急忙在贺胜桥布置新的防线。贺胜桥在汀泗桥以北，是粤汉路上的险隘，是湖南通往武汉的要冲，西南有黄塘湖，东北有梁子湖，河流交错，低洼地区被水淹没，成为一片汪洋，易守难攻，为兵家必争之地。吴军在贺胜桥以南约十里的桃林铺、杨林塘、王本立一带，构筑了第一道防线，在贺胜桥以南约四里的印斗山一线布置了第二道防线，贺胜桥为第三道防线。为了防止北伐军侧后攻击，在每个山头都修建了环形工事，形成纵深防御。吴佩孚曾在阵地上狂妄地说：
“如今要以贺胜桥一战定天下归属”，并且下令：“限三日内夺回汀泗桥”。8月27日，蒋介石亲赴前线，29日在咸宁召开军事会议，白崇禧、唐生智、李宗仁、陈可钰、张发奎、陈铭枢、夏威、胡宗铎、苏俄顾问加伦等人出席，蒋介石首先发言：“贺胜桥是武汉的最后关口，进兵武汉，满盘皆活，孙传芳东南五省也尽在囊中，如果这一仗啃不下来，后果就严重了。现在士气正旺，应乘胜追击。”李宗仁等将领均表示赞同，会议决定在吴佩孚的后续增援部队未到之前，不惜一切代价，夺取贺胜桥。
由李宗仁率第七军出咸宁以东，进攻铁路以东的敌人，由夏威指挥第一师向徐家铺前进，准备占领鄂城，由胡宗铎指挥第二师向贺胜桥、王本立以东地区之敌进攻。陈可钰率第四军沿铁路线及其以西地区前进，正面攻击贺胜桥，然后向武昌发展。唐生智的第八军及第一军的刘峙部为总预备队。29日准备完毕，30日发起攻击。会后，蒋介石立即电告广东国民政府报捷。29日晚，第四军来到与敌前沿桃林铺只有一山之隔的崔溪村，决定派叶挺的独立团担任主攻。
师长张发奎立刻向各团下达命令：“叶团长率领独立团急进至贺胜桥，向贺胜桥警戒，右翼与第七军联系，左翼与第三十五团联系，三十五团警戒于黄石桥道路上，以壮大独立团的声威。独立团得手，敌人士气绝对会动摇，到时向正面的敌人发动猛攻。三十六团作为预备队，距离前线不超过5里，随战况的发展而发展，师炮兵营由邓演存参谋长指挥。”30日拂晓，独立团和第三十五团首先与桃林铺正面的敌人接触，立即展开激战，北伐军2个团，吴军约5个团，双方火力异常猛烈，是北伐以来所没有见到的。
右侧的第七军也将王本立地区的敌军击溃，敌阵地一度发生动摇。刘玉春组织1个师的兵力进行反扑，依仗兵力上的优势，把独立团分割成几块。关键时刻，独立团战士全部以一当十，临危不惧，与敌人展开白刃格斗，前面一排倒下去，后面一排冲上来。这时，叶挺命令担任预备队的特别大队赶来增援，终将敌军击退，逃往印斗山第2道防线。印斗山高地是贺胜桥防御体系的核心阵地和最主要的屏障，高地顶部狭长，与贺胜桥仅仅一箭之隔，吴佩孚在高地布置了张占鳌的第十二混成旅和第十三混成旅，另有5个支队，兵力约1万多人。
吴佩孚亲到前线指挥，在一辆花车上设立了总指挥部，又在印斗山和贺胜桥之间，组织了数十支大刀队，把守在各个路口，并下令“后退者一律斩首”。担任进攻印斗山的是第四军，由独立团和第二十八团任主攻，第三十五团、第三十六团涉水迂回，配合主攻部队展开进攻。部队从正面展开进攻以后，由第2连连长吴道南、第4连连长卢德铭、第6 连连长袁亦烈，率领所在连队组成第一梯队，叶挺亲自指挥6 挺重机枪掩护，冒着敌军的密集的弹雨开始冲锋。战斗打响以后，吴佩孚惟恐该高地有失，导致贺胜桥不保，急忙命令刘玉春率精锐的第六师投入战斗，敌人山炮、机枪各种轻重火力更加猛烈，独立团的官兵前赴后继，鲜血染红了丛林，染红了印斗山每一寸土地。独立团战士牺牲众多，损失惨重，战斗一时呈胶着状态。
10时左右，陈可钰率第四军总预备队赶到，一度被压在半山腰的独立团和二十八团，与增援部队一起，再次强行冲锋。陈可钰、张发奎、叶挺手握武器和官兵一起前进，士气大增。印斗山西南角的环形工事首先被攻破，北伐军和敌人在战壕内展开白刃格斗。阵地上布满了敌我双方官兵的尸体，一部分敌军开始向贺胜桥方向逃跑，而且越来越多。布置在后方的大刀队，挥起大刀，杀了数百人，几乎杀红了眼。吴佩孚也亲手将溃退下来的旅长张占鳌等数名旅团长的头砍下来，悬挂在贺胜桥头，但依然阻止不住如决堤般往下溃退的士兵。
吴佩孚原参谋长、时任随营高参的张方严，是久经沙场之人，一生曾亲历无数大小恶仗，然当他从望远镜里看到印斗山前沿，身穿灰色制服的北伐军官兵，踏着同伴的尸体挺身而上，向前冲锋时，也被吓得头冒虚汗，两条腿直打哆嗦。断定北伐军势不可挡，再有几个贺胜桥也如履坦途。吴佩孚眼见印斗山阵地就要落人北伐军之手，羞愤之极，命令在桥头架起机枪，向溃兵扫射，以阻止后退，不少官兵惨死在自己人的枪弹之下，桥下河水一片血红。吴佩孚的残酷行径，终于激怒了企图逃命的官兵，他们被迫掉转枪口，向督战队开火，一时间，乱作一团，督战队被冲垮，连吴佩孚的副官也被打死，独立团乘机冲过桥去，夺取了桥头阵地。
这时，吴佩孚的花车尚停在离贺胜桥不远的地方，刘玉春带领数名护卫，好不容易逃过桥，闯进吴的花车，跪在地上大哭：“多年来大帅对我恩重如山，今数万人未能将贺胜桥守住，兵败如此之惨，我也没脸再回去了，请大帅拿我正法吧。”吴佩孚看着刘玉春，如醉如痴，似乎是被北伐军的勇敢吓昏了头。这时，一发炮弹落在了花车附近，花车为之一震。陈嘉谟、董政国都劝吴迅速后撤，说话之间，又有一发炮弹打在花车的前部，把车头上的帅字旗也炸断折了下来。吴佩孚如梦初醒，急忙下令将花车开走。
上午10时，北伐军完全占领了贺胜桥。这一战役，第四军俘敌军官159 名，士兵2386 人，缴获大炮20门，机枪9挺，长短枪1899支。第七军俘敌军官42名，士兵948人，缴获大炮4门，机枪1挺，步枪1067支。第四军伤亡官兵497人，第七军伤亡官兵439人，付出了沉重的代价。鄂南决战是北伐兴师以来空前的激战，北伐军在五昼夜之间连克两桥，特别是在贺胜桥与吴佩孚直接交锋，将他打的落荒而逃，大振了北伐军的声威，尤其是第四军自出师以来，迭克名城，连战皆捷，被民众称之为“铁军”。
31日，蒋介石下令北伐军各部对贺胜桥溃败之敌分路展开追击。除第四军十二师和叶挺独立团因伤亡过重，暂留贺胜桥休整补充外，陈铭枢的第十师沿铁路向前紧迫，当晚，范汉杰的第二十九团进抵武昌城外的洪山，主力进抵李家桥，第七军夏威一路占领金牛，相机进攻鄂城，从右翼包围武汉。胡宗铎一路沿武长线以东前进，占领岳公山、和尚桥一带。第一军刘峙部进至五里界、文家。在北伐军的追击下，吴佩孚率溃军一部渡江，一部退入武昌城。