北軍為掩護部隊后撤，以一部兵力扼守要地黃土嶺。

四月二十五日，湘粵軍與扼守黃土嶺之敵展開激戰。趙恒惕命劉建藩部攻敵左翼，湘軍第一師第二旅和馬濟粵軍一部攻敵右翼。

同時，逼近醴陵的第一師第一旅也舉旗南下，回擊黃土嶺。

二十七日，湘粵軍發起總攻，據守黃土嶺之張宗昌第六旅及李傳業安武軍拼死抵抗。趙恒惕親臨督戰，指揮湘軍從正面連續突擊。

北軍終于不支，遂放棄黃土嶺，分別逃向萍鄉、瀏陽和株洲。

湘軍乘勢猛追，連克醴陵、株洲，前鋒距長沙省城僅數十里。

經此一戰，北軍左路軍幾乎全軍覆沒，施從濱師僅剩七百余人，張宗昌混成旅僅剩兩營，李傳業安武軍也死傷過半，損失槍炮子彈不計其數。

張懷芝只身逃回漢口，向攻湘軍總司令曹錕訴說因張敬堯不出兵救援，致遭失敗，為自己開脫。

湘軍反擊獲勝后，劉建藩率部直撲株洲。在龍頭鋪遭北軍伏擊，指揮隊伍登山作戰，過徐家橋時，人擁橋斷，劉建藩不幸墜河殉難，時年三十一歲。

護法軍政府為紀念他的功勛，追贈他為陸軍中將，后國葬于長沙岳麓山，墓門題有四個大字一一護國元勛。

張敬堯聞左翼兵敗，一面急調進攻寶慶之田樹勛旅退保長沙，一面令正在寧鄉“清鄉”的李奎元第十一師和奉軍一部前往株洲阻擊湘軍。同時，令已于四月二十一日攻占衡陽的吳佩孚部向江東攻擊，威脅湘東護法軍之后路。

這時，湘軍因遽失勇將，又有腹背受敵之虞，趙恒惕遂下令放棄株洲、醴陵，留李仲麟部在茶陵擔任警戒，主力撤往酃縣和永興。

北軍乘勢逼進，田樹勛旅再次攻陷寶慶，吳佩孚部連陷安仁、攸縣及耒陽。至此，湖南大部又為北軍所占。護法聯軍全部退守湘桂邊界地區。

湘東反擊戰是護法戰爭中一次最出色的作戰。湘軍將領在岳陽失守，桂軍南撤，北軍氣勢逼人的情況下，不畏強敵。決心聯合粵軍，堅持實行反擊作戰，并能冷靜地分析敵情，決定集中兵力，打敵比較薄弱之一路，這一決策無疑是正確的。

此外，在戰法上，汲取了前次作戰失利的教訓，由單純防御改為主動進攻。在統一指揮下，對正在運動之敵實施多路突擊，攻其不備，出奇制勝。首戰獲捷后，又乘勝追擊，不給敵人以喘息時機，從而取得了殲敵萬人的重大勝利，其戰斗精神和指揮藝術都是值得肯定的。

張懷芝很可笑，在湘東大敗后，他便張皇失措地由萍鄉退往樟樹鎮，又由樟樹鎮退到漢口。他宣稱舊病復發，又稱山東地方土匪猖獗，必需趕回去。他打電報給段，保舉徐樹錚率領奉軍接防湘東，出任第二路司令。徐樹錚志不在前線，堅決不就。他又保舉張敬堯或是陳光遠，甚至由曹錕一人身兼一二兩路司令。

他的求去有兩個原因，第一是在前線打仗沒有把握，第二是怕他的老窠被別人搶去。因為他離開山東后，便由第五師師長張樹元護理山東督軍。北洋系的慣例是護理就能扶正，張樹元自然不愿意張懷芝再回任。

本想通過征湘給自己賺些資本，沒想到仗打得不好，損兵折將，弄不好得不償失，把老本賠掉。張懷芝此刻是身在前線心在山東，恨不得立刻插翅回魯。

段祺瑞覺得在這個時候前線易帥很沒有面子，同時也找不出適當的人來接替第二路司令。

段當然知道張懷芝急于回魯的想法，便以國務院名義給出一個鄭重承諾“魯督決不易人”。同時保證如果第二路兵力不敷時，可以繼續派兵增援，要求張立即由漢口前往江西主持軍事。

湘東反擊戰的勝利對湖南的整個戰局意義重大。自從湘東一戰之后，北軍不敢深入，南軍也不敢反攻，湖南戰場上突然由熱戰相對平靜了下來。