援軍を待つ間に伊軍はシディ・バラニとその近辺に地雷原と7箇所の陣地からなる防衛線を構築していた。しかし折角の陣地も地形上の理由から各陣地間の距離が離れ過ぎており、一致しての防御が難しい配置になってしまっていた。英軍は其処を見逃さず、シディ・バラニへの攻撃を発動した。
1940年12月9日早朝、英軍は地中海艦隊のエレバス級モニター「テラー」、インセクト級砲艦「レディバード」「エイフィズ」の艦砲射撃で陣地に打撃を与えた上で攻撃を開始。オコーナー将軍指揮の英軍6万名は機甲部隊を先頭にシディバラニを攻撃、伊軍側の陣地は上手く連帯が出来ない内に各個撃破される。非力なイタリア軍戦車部隊も英軍のマチルダII歩兵戦車の前に粉砕され、英軍戦車の損害はイタリア砲兵隊に撃破された18両であった。敢え無く包囲下に置かれたシディ・バラニでは守備隊の多くを占めるリビア人兵士の組織的投降が始まり、最終的に伊軍部隊3万8000名が捕虜となった。司令官のマリオ・ベルティ将軍は解任され、後任のジュゼッペ・テレーラ将軍の下に残余部隊4万名はリビア国境で戦線の建て直しを図る事になった。
砲艦「エイフィズ」
砲艦「レディバード」
モニター「テラー」
マチルダ2戦車
バルディアの地図
本来は短期的な攻勢に留める予定であった英軍は更なる進軍を決定、17日にはリビア国境のカプッツォ砦を制圧。伊軍は第21・22軍団の残余と第23軍団を合流させて、バルディアに防御陣地を構え英軍を迎え撃つ格好になった。既に歩兵師団『カタンザロ』、『チレーネ』、黒シャツ師団『1月3日』などが艦砲射撃で戦力半減の状態にありつつも伊軍は頑強な抵抗見せるが、制空権・制海権を抑える英軍は連日の砲爆撃によって確実に伊軍の戦力を削いで行った。また軍事指揮官の「電気髭」ベルゴンゾーリ将軍は一か月分の水しか用意する事が出来なかった。後方で総指揮を取るグラツィアーニはリビアの入植者達を後方に避難させつつ、ムッソリーニにデルナへの退却を進言するが、ムッソリーニは死守命令を下すのみであった。英軍は年の明けた1月3日に総攻撃を開始、終日に渡って爆撃が続けられる中、1月4日、遂にバルディアの陣地は陥落し伊軍4万名が捕虜となった。戦いに参加したオーストラリアの歴史家Baker Kevinは「彼等は各部隊においては奮戦した」とイタリア軍将兵を評している。
伊軍の残余部隊2万名はトブルク要塞に退却し抵抗を続け、一部は英軍を退けるなどの活躍を見せたが、トブルク防衛はバルディア防衛の劣化版と言わざるを得なかった。1月22日、トブルク要塞は陥落する。
リビア西方(キレナイカ)の各部隊と合流しつつ抵抗を続けていた第10軍であったが、予想以上の進軍速度を見せる英軍は2月5日にベンガジを占領し5000名の兵士を拘束。先手を打って先回りした英軍は伊軍第10軍を完全な包囲下に措く事に成功する。命運尽きた伊第23軍団は包囲突破を目指した最後の突撃を敢行したが、数日間の戦闘の末に壊滅し、指揮官のジュゼッペ・テレーラ将軍も戦死した。グラッツィアーニ元帥は僅かに生き残った8000名の将兵と共にトリポリへ下がり、其処で総指揮官の辞任を表明した。後任にはイータロ・ガリボルディ将軍が着任する事になる。