时值酷暑，暑疫在川军中流行，减员甚多。前方的物资供应因民夫逃跑而发生困难，“前线士兵，形同乞丐”。川军士气十分低落，逃亡不断。第1师师长廖震在给刘湘的报告中说：“崇山峻岭，溽暑炎蒸，疫病丛生，遺尸载道。伤亡既众，无法补充，勇气消沉，兵无斗志。官长恒多自戕，士兵日益逃亡，考察各连兵员情况，多者不过30名，少者仅十余名，加以千里馈粮，师不宿饱，怨气四起，哗溃甚虞。职等处此危局，莫展一筹，唯恳总指挥唐，星夜派队前来接替防务，并恳总司令刘、军长刘，将职师残部明令解散······”其他各路军阀之间更是矛盾重重，“各心存取巧，各图私利，于是号令不行，指挥不动，进则各争地盘，退者互相诋毁”。邓錫侯更怕孤军深入被歼，令所部停止攻击，于通江河右岸按兵不动，所部中上级军官多到后方轮番休息。刘湘精心拼凑起来的六路部队已难维持，濒临瓦解。8月7日以后，刘湘被迫变攻为守，无力再攻万源。
与此同时，西线红31军、红4军一部在南起通江城附近，北至小通江河一线阵地上，多次击退了敌李家钰、杨森、范绍增、陈兰亭、潘文华部的进攻，与敌在西线阵地上形成对峙。7月15日，西线红军趁潘文华暂编第2师彭韩部与杨森部交接防地之机，一举攻占简家山，直逼通江城下，有力地配合了万源保卫战。
红四方面军经过8个月反围攻作战，歼敌近40000人，在万源一线主要阵地上经常保持着5个营的部队参战，大量主力部队处在休整和待机状态。整个战场的形势发生了有利于红军反攻的变化。在党和苏维埃政府领导下，广大农民在分得的土地上，把丰收了的谷子和部分早熟的玉米碾成大米和面粉支援前线，自己却用野菜和洋芋充饥。妇女会积极为红军编织竹麻草鞋。当时有首歌谣就很好地表现了人民拥红的热情：“三载长工两吊钱，上街买回一片棉，妈妈给我做棉衣，我送棉衣红军穿”。各县妇女运输连还将筹集的粮食和草鞋源源不断地送往前线。1400余名兵工夜以继日地加班生产，修好了大批枪械，生产了大量子弹和手榴弹及迫击炮弹。红军粮弹不足的困难得到了缓解。根据地的青壮年积极参加红军，红军兵员得到了及时补充。时有歌谣极好地反映了根据地人民送亲人参军上前线杀敌的情景：“哥打刘湘就要走，炒盘胡豆煨壶酒，烧酒吃了胆子有，上阵狠狠杀白狗！”所有这些都说明红军反攻条件已经具备，反攻时机业已成熟。
8月8日，红四方面军总部在万源再次召开军事会议，研究了反攻的主要方向和突破口。决定首先集中兵力从东线开始反攻，击破敌主力唐式遵第5路，然后再转师向西，横扫第1、2、3、4路敌人。张国焘根据宋侃夫从电台侦听到的情报，提议以青龙观为反攻的突破口，得到了大家的赞同。会后，红四方面军总部发出通令，嘉奖万源前线部队，并向全军宣告：“乘胜反攻的时机也已成熟了！”
为了夺取反攻初战的胜利，徐向前多次到南天门、青龙观一带勘察地形，并指示红31军274团派出侦察组，采取各种手段查明敌人的部署。
青龙观位于万源城西南70里的崇山峻岭之中，矗立在南天门对面。青龙观正面只有一条小路，两侧是悬崖峭壁，地形十分险要，易守难攻，有“一夫当关万夫莫开”之势。它的东面是清花溪，山高崖陡，无路可上；山北碗柜崖、天鹅抱蛋一带，山势陡峭，险石林立，青苔长满石头，搭脚即滑，峡口风洞，怪声呼啸。当地一位60多岁采药的农民告诉徐向前，这里有小路可走，悬崖上挂满了又粗又长的葛藤，穿上脚码子，带上铁钩长绳，是能够爬上青龙观的。据侦察，青龙观守敌为第6路汪铸龙师的周建辰旅的两个团，凭借地势险要，料定红军插翅难上，故防守不严。该敌屡遭红军痛击，已是惊弓之鸟，加之给养补充困难，士无斗志，且与总指挥唐式遵貌合神离。该敌东面有第5路主力3个师，西面是范绍增的第4师。徐向前对敌情、地形进行了反复比较和深入研究，又广泛听取了干部、战士的意见，决定派一支部队从山北攀崖而上，实行突破，并迅速向敌纵深发展，配合主力部队将敌第6路截为两段，以此动摇敌人整个防线，尔后迅速穿插，，左右卷击敌人。但是，远在后方的张国焘看着地图，打电话给徐向前，坚持要红军从青龙观东面实施突破。徐向前向他说明了敌我部署和地势情况后，张国焘仍坚持从东面突破。这时，方面军政委陈昌浩接过电话，表示支持徐向前的意见，张国焘才放弃了错误主张。徐向前决定采取夜袭突破，大纵深迂回包抄的战法，迅速粉碎敌人的围攻。为此，总指挥部制定了反攻部署：由31军第93师、4军第第10、11师及9军第25、26师共14个团组成第1梯队，担任突破敌人防线的任务；由30军第88师、90师和33军第99师组成第2梯队协同第1梯队向敌纵深发展，迂回歼敌；其余部队继续坚守阵地，相机转入反攻。奇袭青龙观的任务，由擅长近战、夜战的第93师274团执行。
为了确保夜袭青龙观的成功，徐向前带31军军长孙玉清、93师师长叶道志和参谋杜义徳到274团具体部署、动员、检查夜袭准备，决定以该团第2营从山北攀崖，实行山顶开花，1、3营从东西两侧夹击，一举歼敌。8月9日夜，突袭部队第2营在副营长陈金玉率领下，以第5连为前锋，向青龙观进发。为了迷惑敌人，掩护2营夜袭，保证顺利突破青龙观，徐向前令玄祖殿红12师和274团主力分别从东、西方向同时向青龙观发起攻击。274团第2营乘夜在崎岖的山间小路上摸索行走3个多小时，到达青龙观碗柜崖至天鹅抱蛋地段的悬崖下。休息片刻后，整理武器装备，搭起人梯，攀藤附葛，攀援悬崖峭壁。尖刀第5连1排首先登上崖顶，猛鸷般擒敌哨兵，摸清敌人口令及防守情况后，从周建辰旅两个团之结合部楔入，连克敌人三道哨卡，捉住敌人游动哨，未响一枪就俘敌1个排。5连继续猱进鸷击，再歼敌1个连部和1个排。凌晨3时许，2营全部登上崖顶，陈金玉迅即集中全营兵力，利用敌口令，突然攻入青龙观周建辰旅部，不少敌军在酣睡中就做了俘虏，部分反抗的敌军丧命在红军的麻辫手榴弹下。周建辰趁乱只身逃出青龙观，红军俘其参谋长。在红军政治攻势下，守敌1个营投降。接着，陈金玉调整部署，占领有利地形，准备防敌反扑。拂晓时分，敌1个团向2营反扑。红军与敌激战甚至发生肉搏，打退了敌人多次进攻。敌师长汪铸龙深知青龙观得失的重要性，组织了1个多团拼死猛攻2营阵地。10日7时许，红274团主力赶到，向敌两翼夹击。经过1个多小时战斗，反扑之敌被大部歼灭，巩固了青龙观阵地。紧接着，红军后续部队投入战斗，将汪铸龙师大部歼灭，敌防线被撕开了20余里宽的一个大缺口。
8月10日拂晓，徐向前发出全线反攻令。红31军第93师从青龙观突破口向敌纵深楔入，追击石人、赵渡方向逃敌。红9军第25师、26师从左翼向青龙观东南的清花溪、田家坝等地发起反攻。红4军主力分两路从右翼同时向青龙观西南之敌发起反攻，并向敌纵深猛插。此时，敌防线如高堤崩溃不可收拾。汪铸龙残部、杨国祯独立第2旅、刘光瑜第5旅、吴锦堂边防军第1路等敌纷纷溃逃。第5路总指挥唐式遵急令左右两翼部队迅速靠拢，并调陈兰亭师、范绍增第4师向红军突破地段机动，企图缝合缺口。但川军各部惧怕被歼，皆望风而逃。红军各部则奋勇追击。12、13日，红9军相继攻占敌纵深要点清花溪、田家坝，击溃刘光瑜第5旅。14、15日，红9军向长坝场方向的罗文坝、毛坝场、胡家场追击逃敌；红4军第12师攻占青龙观西南的周家坝、黑宝山；红31军第93师攻占青龙观以南的石人坝、赵塘坝。16日，红12师和93师夹击左翼援敌范楠煊独立第1旅于龙池山，并歼其大部；红11师在攻占了龙池山以西的五龙台、石窝场后，击溃由镇龙观前来堵截红军的陈兰亭师和孟浩然的12旅，歼其一部后前出到河口场、庙垭场地区。
在红军迅猛反击下，唐式遵惊恐不安，急忙在石塘坝召集就近各师、旅长紧急会议，商讨对策。各部长官都主张放弃宣汉、达县。唐式遵和参谋处长罗洁滢密商后，决定右翼前线各部相互掩护总指挥部撤退，沿万源、宣汉间的中河布防；左翼由第5路副总指挥范绍增与总预备队指挥官潘文华取得联系，以掩护右翼左侧背的安全。然而，各路川军在红军凌厉攻势下，早已纷纷逃跑了，及至奉令撤退时，更是争先恐后，各不相让，开始逃跑大比赛。
17日，红军第2梯队之88、90师已进至沿山场、老鹰岩、赤溪场地区，红33军第99师进至河口场地区，把万源正面的敌人第1、2、3师甩在了左后侧。唐式遵部队纵深拉长，一时撤退不及，造成了被红军分割包围的形势。据此，徐向前主张以红军主力向东实行大迂回、深包围，跨中河两岸由西向南顺山构筑工事，截断刘湘主力第1、2、3师向宣汉、开江的退路，力求将其全歼或歼灭其大部，使刘湘将元气大伤，红军武器装备也会因此改善，下江地区将为红军所有。但是，坐镇通江洪口场的张国焘却向远在宣汉马渡关相距200多里的徐向前打长途电话，命令红军向西迂回，追歼与红军处于平行位置极易溜走而不易包围的范绍增第4师。徐向前在电话中说：“东面是刘湘的主力之1、2、3师，擒贼要先擒王，战略反攻打敌人要打要害，消灭敌人的主力，这是难得的好机会······”张国焘却对他的西击主张找根据说：“东面都是高山，不便我大部队运动。这是选择反攻突破口时你们说的。现在，我叫部队向西追击，你们又不怕东面的大山了。我的意见是要你们下决心向西追。”徐向前解释说：“那一回是把突破口选在敌人防守的强点上，对我不利。现在情况不同了，主动权在我们手里，可以抄到敌人后面打，使敌人处于被动挨打的地位。如果向西追，不但消灭不了敌人主力，还可能把敌人第4师也放跑了。”张国焘仍然坚持说：“消灭了第4师再向东打就没有后顾之忧，还是向西追击！”徐向前耐心地解释说：“现在敌人都是只顾向后逃跑，我们向东追击没有后顾之忧，如果不抓住这个千载难逢的战机，就会放跑了敌人的主力。”张国焘还是坚持说：“消灭了第4师再向东打。刘湘的第1、2、3师几万人短时间一下子还跑不掉。”徐向前继续耐心解释：“现在敌人拼命后退，跑得快，时间不抓紧，敌人是会跑掉的。从长远看，向东追击歼灭刘湘主力，对我今后作战更为有利。即使第4师跑掉了，也是划得来的。”张国焘仍然坚持：“向西追击，首先消灭范绍增的第4师。范绍增是土匪出身，很狡猾，搞慢了他会跑掉。先消灭他，然后再向东歼灭敌人第1、2、3师还是来得及的。”徐向前接过话题解释说：“范师离我们太远，这家伙是土匪出身，滑头的很。我们的部队一向西移动，他一定很快就跑，我们跟着屁股追也追不上。”陈昌浩接过电话，表示支持徐向前的意见，并说李先念、王宏坤等前线领导人意见一致。接着，李先念也在电话中向张国焘阐明了东追的主张。张国焘这时装模作样地说：“你们别急，等我看一下地图。”等了很久，张国焘打来电话喝问：“你们听不听我的意见？告诉他们，听，就按我的意见办；不听，就算了！”说完，张国焘竟甩掉电话走了。（徐深吉《徐向前同志在红四方面军》；张才千《回忆反六路围攻》。）张国焘这次与方面军领导人的电话争论从下午两点多开始，来回数次经徐深吉中转传话，一直讲到晚上7点多钟。
时间就是胜利。徐向前见说服不了张国焘，决定权又在他手里，况且追击敌人是不允许再继续延误时间的，因此只得按张国焘的命令率军向西迂回，追歼范绍增第4师和独立第2旅等部。红军主力第二梯队3个师向西迂回位于通江城东的范绍增等部。但是，防守通江城东喜神滩、麻石场的第4师周绍轩旅和杨国祯独立第2旅等部如惊弓之鸟仓皇撤回长滩河，五昼夜内南逃400余里，至渠县以北的三汇场才停住脚构筑工事，凭险固守。红军跟着敌人后头追击，根本打不着滑头的范绍增。于是，徐向前集结主力转师南出宣汉、达县，截击刘湘主力许绍宗等师，但是敌人第1、2、3师因后路受到红军威胁，已星夜南撤了。虽然川北一带山路崎岖，但在红军主力追击下唐式遵部队有的整团甚至整旅竟能在一昼夜逃跑200余里。许绍宗师在东林河以南，宣达以北构筑工事固守。其他各师也逃到了宣汉城北的老鹰嘴、毛坝场一线。8月24日又撤至井溪坝，西经东升场、马家场至双龙场一带，沿州河右岸构筑阻击工事，与红军形成对峙局面。东线反攻不足半月遂告结束。
刘湘得知第5、6路军总崩溃，急电宣、达各部不准再行撤退，速同友邻切取联系，互相靠拢，以待援军。令达之日，即组督战队，以驻地最高指挥官负责收容部队，不管是否隶属，皆须听其指挥，如敢违抗，就地枪决。同时，又调集部队昼夜兼程开往前线，并令通江前线各部构筑坚固阵地，阻止红军西进。蒋介石亦严电斥责：即因地形关系进剿困难，亦应筑碉自固，防其进扰。并严令川军：如有再行后退、牵动全局者，当以该主官是问。（《四川文史资料选辑》第22辑第70页。）
西线各路军阀部队得悉刘湘主力溃败，急调整部署，撤出通江，依托通江西岸山地，北起贵民关，南至江口，向东构筑防御工事，企图阻止红军主力西进。
8月下旬，红四方面军总部在通江附近开会，决定主力向西线反攻，由陈昌浩率红33军和红4、9军各一部兵力于东线牵制敌人，徐向前、王树声率第30、4、9军主力及31军第93师迅速西转。
28日，西线反攻开始。红军利用夜袭，从敌第3、4路军结合部的通江城南得胜山附近的冷水垭成功突破，但因敌人收缩迅速，未获重大战果。接着，红军又从巴中至清江渡一线再次夜袭突破成功，西线敌军全线溃退。徐向前令王树声率红9军一部追击第3路；令王宏坤率红4军一部追击第4路；并亲自率红30军及红31军第93师直扑巴中，实行大纵深迂回，直插黄木垭、旺苍坝方向截断敌人退路，打歼灭战。此时，张国焘来电话，主张以主力从巴中以东向北迂回长池、木门。徐向前认为这是浅迂回，不能兜住敌人，只能追着敌人屁股打。他吸取了东线反攻的教训，与李先念商量后说：“那是抓兔子尾巴，抓不住的。这回就是犯错误也不能听他的，打完仗再说，我负责！”李先念也说：对呀，“将在外君命有所不受”嘛，我们听总指挥的！于是，徐向前决定机断专行，大纵深迂回，令部队昼夜兼程，经凤仪场、雪山场，直插木门以西的黄木垭、旺苍坝，向敌第2路军兜去。在王树声、王宏坤两路的打击下，第3、4路望风而逃。杨森被迫撤出通江城。罗泽州也于9月11日撤出巴中。红军不战而得两城，随即分三路追击敌人。红4军进占兰草渡，向营山方向追击杨森第4路；红9军追击李家钰、罗泽州第3路，直扑仪陇，在右垭口附近歼灭李家钰4个团。罗泽州于9月16日放弃仪陇，向蓬安境内溃退。红军不战而克仪陇城，继又占领阆中，将敌赶至嘉陵江西岸。
9月13日傍晚，徐向前率部赶至九龙场。是夜，他在场西头一间破屋里召开了军师级干部会议。他说，我31军正进抵旺苍坝。现在摆在我们面前的两个任务是：以1个多团的兵力顺恩阳河尾追敌人；另一个任务是以30军主力火速抢占黄木垭，切断孙震部通向苍溪的退路，并全部歼灭之。现在，敌人离黄木垭仅40多里，因此要分秒必争！（《红四方面军在绵阳广元斗争纪实》第39页。）李先念和程世才把抢占黄木垭的任务交给了年仅20岁的红88师师长熊厚发。熊厚发率263团为先头部队，268、264、267团随后跟进。14日拂晓，263团占领黄木垭。中午，副军长程世才率265赶至王官寨，268、264、267团和274团也相继赶到高台寺一带。不久，徐向前和李先念到达五官寨，设指挥所于寨上庙内。给敌人布下了口袋阵。午后3时许，第二路曾起戎旅和傅贵梁旅及其他部队约10余团17000余人，从长池、木门撤下来，拥挤在黄木垭至王官寨十几里路的山谷中，进入了红军的包围圈。徐向前对李先念说：“这一仗，我们是违背了张主席意图打的，一定要打好，打不好，我们是难以交账的。”（张才千《回忆反六路围攻》。）战至15日上午，红军毙敌旅长傅贵梁、团长陶斋以下官兵4000余人，俘敌旅长以下官兵万余人，缴枪7000余支，迫击炮40余门，电话机80余部，电台7部，子弹数十万发。这是红军反六路围攻以来歼敌数量最多、最集中的一次重要战斗。
黄木垭大捷后，红军乘胜追击敌人。9月22日，红30军收复苍溪县城；红4军追击敌第4路直达营山、渠县地区；红31军于9月17日收复南江县城后，迅速向西推进，19日收复旺苍坝，歼敌邓錫侯第1路1个师部和周世英、陈泽两旅大部7000余人，并继续追击敌人至广元城下。随后，邓錫侯亲自到广元整顿部队，向其官兵训话说：“你们进攻几个月才到小通江河，几天就跑回来了，你们一趟子跑了700多里，真是跑得快哟。我不怪士兵，要问一问这些指挥官究竟在做什么？”至此，刘湘“空全川之兵”、“竭全川财力物力”拼凑起来的六路围攻部队土崩瓦解。8月23日，刘湘致电蒋介石：此次围攻耗资1900万，官损5000，兵折80000，以后“难乎为继”，请免剿匪总司令等本兼各职。随后，刘湘自成都出走重庆。途经内江椑木镇时，跑出汽车，假装投江，玩弄以退为进的花招。他的前方军事委员会委员长刘从云见势不妙，在第5、6路溃败时，就仓皇窜回成都，通电辞职。各路军阀也欲借刘从云之头来打击刘湘，攻击刘从云毫不知兵，指挥不当，以致全军溃败，并串通在成都的一些乡绅等头面人物发出通电，要求“诛除刘奸从云，以快人心。”在成都的头面人物还以安抚会名义，致电刘从云，要其自裁，以谢川人。刘湘第3师8旅旅长刘若弼还电话请刘湘杀刘从云以安军心。
红四方面军经过11个月的反围攻作战，在根据地人民的全力支援下，取得了胜利。总计毙伤敌路司令郝跃庭以下官兵60000余人，俘敌旅长张邦本以下官兵20000余人，缴枪30000余支，缴炮百余门，击落敌机1架，重创了四川各路军阀。红军也为此付出了伤亡20000余人的重大代价，基本恢复了宣达战役后的根据地辖区。
经过反六路围攻，红军减员很大，全军仅剩6万余人。10月，西北军委和红四方面军作了组织调整，红四方面军兼西北军区，傅钟调任方面军政治部副主任，所属各军师领导人如下；
第4军：军长王宏坤（后许世友），政治委员王建安，副军长刘世模，政治部主任洪学智。所辖第10师，师长王乃贵，政治委员叶道志，编有第28、30、34、36团。第11师，师长陈再道，政治委员叶成焕，副师长陈锡联，编有第31、32、33团。原第12师师部、第29、35团并入其他师、团。
第9军：军长何畏，政治委员詹才芳，副军长许世友，参谋长王学礼，政治部主任王新亭。所辖第25师，师长许世友（兼），政治委员陈海松，副师长潘幼卿，编有第73、74、75团。第27师，师长刘理运，政治委员梅华樊，编有第79、80、81团。原第26师师部和第76、77、78团并入其他师、团。
第30军：军长程世才，政治委员李先念，政治部主任李天焕。所辖第88师，师长熊厚发，政治委员郑维山，副师长丁纪才，编有第263、265、268团。第89师，师长邵烈坤，政治委员张文徳，副师长汪成功，编有第262、264、266团。第90师，师长王乃贵，政治委员贺立池，编有第267、269、270团。
第31军：军长孙玉清，政治委员詹才芳，政治部主任张成台。所辖第91师，师长余家寿，政治委员易良品，副师长王友均，编有第272、273、275团。第93师，师长陈友寿，政治委员王德安，政治部主任李德明，编有271、274、279团。原第92师师部、第276、277团并入其他师、团。
第33军：军长王维舟，政治委员杨克明，副军长罗南辉，政治部主任李百选。所辖第98师，师长冉南轩，编有第294、295团。第99师，师长王波，编有第296、297团。原第97师师部和第289、290、291、292、293团并入其他师、团。
直属部队：升钟独立师师长于江震，政治委员韩照凯。独立第1师，师长袁克服，政治部主任王大成。独立第2师，副师长王振亚，政治部主任赵必胜。此外还有炮兵团、警卫团、妇女第1、2团、川陕省军区。
