鎮前出蒲圻、咸寧一線求戰的部署也得到了黃興的認可。黃興另將黎元洪第二十一協起義部隊改編為第二師，自任師長，以黎元洪為副師長，轄第三第四兩旅四團，但缺編甚大，於是大力招募兩湖會黨群眾以充實第二師，該師尚在編組整頓中，充任武漢三鎮之守衛任務。
上海通電一發，黃興及宋教仁、譚人鳳判斷龍謙不再和談了，戰爭難以避免。為了堅守汀泗鎮陣地。挫敗蒙山軍可能的進攻，黃興從其他部隊，特別是原黎元洪部抽調了大批武器，除了炮兵外，更是將機關槍全部集中於第一師，林述慶當然將其補充至自己的親信部隊第二旅（原十七協），使得第二旅的實力得到很大加強。
民國第一師四團擔負汀泗鎮之正面守備，團指揮所設在塔腦山，三個營分別佔據了鎮東各高地，在兩軍對峙的日子裡。四團在林述慶的督率下狠命地構築工事。囤積彈藥。第二旅的另一個團，即三團部署在四團後面的鎮子裡，準備隨時增援。
林述慶在視察陣地後向黃興報告，“天時地利均在我方。決督率所部。挫敗蒙山軍兇鋒。”
攻擊方為蒙山軍第一師第三旅。展開了兩個團，七團從南面攻擊，九團從東面攻擊。第一師炮兵團在七團以南佔領陣地。集中了24門大炮，其中75mm的山野炮各6門。
憋足了勁的炮兵在半個小時內將六百餘發炮彈傾瀉到鎮東高地上，三點二十五分，七團與九團同時向高地發起了攻擊。
受上海建國的鼓舞和孫大總統親自表彰的激勵，林述慶決心在蒲圻咸寧一線擊敗蒙山軍南方軍部隊。既然已經前出至此，就沒有不打這一仗的道理。林述慶深知汀泗鎮的重要，受斧頭湖、魯湖、梁子湖的限制，南軍北進，必須從幾大湖泊中間穿過，汀泗鎮就卡在咽喉上。此地若失，武昌將敞開大門，直接受到南軍的攻擊了。這也是林述慶堅持將戰線推進至蒲圻咸寧的緣故。
對面的蒙山軍已經來了許多天了，一直在晃來晃去的來回撥動，並未發起真正的攻擊。這給了林述慶以信心，他們也不願意打！但自昨日起，越來越多的跡象表明，南軍要發起攻擊了！
林述慶親自趕至四團督戰，決心在這裡挫敗自內戰打響以來一路順風順水的蒙山軍。
林述慶對部隊做了動員，“滿清韃子已經退位，中華民國已經成立了！黃興元帥已經抵達武昌！打贏蒙山軍，大家都是開國元勳。為了給趙伯先等先烈報仇雪恨，為了中華民國，我們決不後退！”
四團是林述慶的老部隊，他相信革命黨成員眾多的第四團會在汀泗之戰中起到中流砥柱的作用。
20日下午展開的戰鬥一開始就非常激烈。蒙山軍第三旅對鎮東高地連續發起了兩次衝鋒都被打了下來。因為地形限制了兵力的展開及步兵火力的發揚，因為沒腳的泥濘限制了進攻方的行動，更因為第三旅自戰爭爆發後基本沒有打過什麼硬仗，這支戰前大量補充了廣東巡防營士卒的部隊沒有打出應有的氣勢，甫遇死傷便退了下來。
兩次不成樣子的攻擊失利令督戰的封國柱大怒。立命將九團六連長及七團二營長就地槍決。理由是臨陣退卻。提升九團六連一個死戰不退投彈不止班長為連長，表現相對出色七團二營五連連長為營長，因為五連一直釘在半山坡上，沒有聽從營長的命令跟其他兩個連退下來。
這一招震撼了三旅。尤其是被槍決的七團二營長，是封師長的老部下，蒙山軍勤王北上後封國柱留守根據地時親手招的兵，該營長在廣州成親時封國柱親自主持了婚禮並掏了一個大紅包。現在說斃就給斃了！
“誰把老子的話當放屁，老子就把他的腦袋當球踢！繼續給老子打！團長親自帶隊給老子衝，天黑前打不下塔腦山，一律撤職，下去當伙伕！”封國柱紅著眼朝軍官們吼道。
進攻在五點恢復，七團和九團在封國柱的嚴令下拼了命，由軍法處組織了督戰隊，凡是擅自退卻的官兵，就地槍決！七團和九團的團級軍官們親自帶隊攻擊，不計傷亡地猛衝，前進一段，就地掘壕鞏固，然後再往上打。蒙山軍這一玩命，讓守軍受不了了。當跟進的迫擊炮不斷摧毀守軍本來就稀少的重機槍火力點後，守軍開始崩潰。戰至傍晚六時許，除了塔腦山主陣地外，周圍高地大部分被攻佔。
七團和九團承受了嚴重的傷亡。陣亡官兵的屍體佈滿了山坡。陣亡者多是新兵，無論是戰場經驗還是戰鬥意志。新兵都和參加過兩次以上戰鬥的老兵不能相提並論。
三旅指揮官們親臨一線，調整兵力，集中火器（主要是迫擊炮），因為重機槍陣地構築