11月12日，日军开始向摩天岭进攻。日军按照惯例，先派骑兵一部在前，大部队在后跟进。骑兵一部进犯连山关口，孙显寅、吕本元率部奋力抵御，连续击退日军多次进攻。经过一番苦战，日军稍退，旋即又如蜂而至，并形成包围之势，在敌强我弱的情况下，孙显寅、吕本元率部突围，连山关陷入日军之手。
得到连山关之后，日军即将此当作基地，稍事休整便开始了对摩天岭的进攻。一个大队的日军毫无顾忌地向摩天岭前进，突然，一声巨响在日军队伍中炸开，接着是一阵紧似一阵的大炮的轰鸣声。在爆炸声中，日军死伤无数。日军惊魂未定，又听周围战鼓齐擂，号角轰鸣。紧接着，又见山林中旌旗飞动，似乎有千军万马严阵以待。
日军不断冲锋，每次冲锋都在清军打击下溃退。特别是正面阵地上的大炮，让日军伤亡惨重。日军妄图夺取炮阵地，但炮阵地前有一片开阔地，聂士成下令数千枪手齐射，日军成了活靶子。日军向山下奔逃而回，聂士成指挥部队追击，动员而来的百姓也呐喊着从四面山上涌向日军。日军狼狈逃回到连山关。回到连山关的日军请求派大部队增援。此时的凤凰城日军正受到驻守赛马的依克唐阿部的威胁，无兵可派，日军只得龟缩在连山关，摩天岭牢牢地守在清军的手中。
聂士成精心谋划的摩天岭阻击战，成为了甲午战中清军的第一场胜仗。11月26日，摩天岭地区普降大雪，聂士成决定雪夜突袭连山关。在做好各种侦察工作、摸清了日军的情况后，聂士成派人联系从连山关败退的孙显寅和吕本元部，约定分兵两路偷袭连山关。当晚，在日军认为大雪不利于部队行动时，聂士成率领数百骑兵突袭连山关，与孙显寅和吕本元部取得联系后，分兵向日军发起攻击，毫无防备的日军被打了个措手不及，丢下数十具尸体仓皇逃往草河口。
收复连山关，是清军与日军开战以来第一次收复失地。