儘管薛嶽嘶啞著嗓子要隊伍集中火力拼命抵抗，但堅持到下午兩三點時，整個陣地就再也經不起起義軍潮水般的衝擊而被突破，整個師陷入起義軍的包圍中。最後，薛嶽見實在頂不住，只好丟棄前沿的山頭陣地，狼狽向後潰逃，並在起義軍火力尾隨射擊下遺屍累累。
起義軍發揚北伐時猛打猛攻的傳統，跟蹤追擊，一直衝到分水坳附近。
陳濟棠把指揮所設在距湯坑約十餘里的北路小高地上。他眼見薛嶽部抵擋不住而全師敗退，急令自己第十一師的第三十一、三十二兩個團趕到分水坳的高地上組織防禦，掩護薛嶽殘部撤退。
陳濟棠的及時支援，救了薛嶽一馬，他得以在敗退中一時穩住陣腳。他知道自己的部隊已失去戰鬥力，象徵性地留下少部分兵力參戰外，自己帶著大部隊大踏步向後撤。
起義軍衝到陳濟棠第十一師陣地前，遇上了難啃的硬骨頭。
第十一師在廣東軍閥部隊中戰鬥力是最強的，加上又居高臨下，數量還佔優勢，自然就比較頑強。在分水坳的山頭上，雙方反覆爭奪，甚至這方手榴彈投過去未爆炸前，對方又揀起來扔回來。起義軍第二十四師有一個英雄營長廖快虎，指揮部隊反覆衝殺，手下的人打光了，他自己坐在山頭上與陣地同歸於盡。
天近黑時，起義軍死傷不少，陳濟棠的第十一師也是傷亡慘重。
在激戰之中，起義軍中出現了個別叛徒，其中影響最惡劣的，就是剛由第七十團團長提升為第二十四師副師長的歐震。
歐震是韶關曲江人，是張發奎、薛嶽的老鄉，他在戰鬥中反戈投降，給起義軍造成不小損失。當時部隊內共產黨的組織不太健全，缺乏監督機制，一些人的叛逃自然難以控制。後來，歐震受到張發奎、薛嶽的賞識，官運比較亨通，成為他們手下的一員大將。
激戰至9月30日天明，因部隊在兩天中傷亡高達2000餘人，其中第二十四師傷亡過半，彈藥也消耗大部，實在無力再攻，葉挺和賀龍只好下令隊伍向揭陽後撤。
陳濟棠一時不明起義軍虛實，也不敢追擊。
從表面看，湯坑一仗，國共雙方打成對峙，最後都撤出了戰鬥。起義軍以6000人攻敵15000人，火力更遠不如敵，開始還擊潰了薛嶽師，最後又使陳濟棠師受重創，國民黨軍傷亡在3000人以上，遠大於中共部隊，用陳濟棠自己的話說：“餘自從戎以來，經歷大小戰役不少，而以此役為最慘烈。”這表現出中共革命軍隊在精神上壓倒敵人。
可是從全域性來看，這應該說是一個敗仗，因為它使起義軍無法達成擊潰敵軍並聯系海陸豐的目的，主力還受到最嚴重的損失而無法恢復。起義軍在潮汕地區的失敗關鍵一仗是湯坑失守，繼而造成進退失據和局勢急轉直下，使潮州、汕頭相繼失守。
不久，起義宣告失敗，周恩來、賀龍、葉挺、劉伯承、彭湃等領導人安全撤離潮汕地區……
二、鎮壓起義，血洗羊城
薛嶽訊息倒是靈通。他聽說中共起義部隊撤離汕頭後，於10月1日一大早，搶在陳濟棠之師前面，率部佔領汕頭，並在交通要道設下重重崗哨，非新編二師的人馬一律不準入城。同時，汕頭各機關的人員多由他委任。他儼然把汕頭作為自己的“領地”，不容他人染指。
不僅如此，薛嶽請新聞界的朋友幫忙，迅速在10月2日的《上海民國日報》，刊載了其部佔領汕頭電：
葉、賀兩逆率全部於九月廿六日在湯坑與我軍血戰兩晝夜，賴總理在天之靈，國民之福，經於十月一日午前八時，將逆敵全數擊潰，是役斃敵團長三員，營連排長士兵二千餘名，我軍得械數千，官兵傷亡千餘。嶽於本日率第二師進駐汕頭。謹聞。
10月3日，薛嶽、黃紹竑、王俊召開軍事會議，決定由薛嶽派兩團兵力向澄海、揭陽追擊起義軍，王俊派一團兵力入潮陽，並任王俊為潮汕警備司令。
王俊想，這汕頭原是自己的地盤，便大搖大擺率其殘部回汕頭，想分一杯羹。薛嶽看著就來氣，一不做二不休，全部撤換了王俊的稅收人員，收編了他計程車兵。