这样，在兵力部署上，就采取了更加出敌不意的高着：决定以四分之三的兵力即一纵、二纵的近6000人作为机动突击力量；仅以四分之一的兵力即三纵不足2000人坚守黄桥。
在局部兵力运用上还有不寻常的做法：向东北阻击韩军中路中坚的二纵部队，不是以一般分队而是以战斗力强、经验丰富的分队进行游击性的阻滞，不断袭扰，反扑，尽量拉开它与左、右两翼的距离，这就便于新四军突然袭击，围歼独六旅。三纵在守备黄桥的兵力单薄的条件下还保留了多层的预备队，不断反突击，多次向镇外出击，直至最后配合一、二纵大举出击。
作战方案是周密的，但战争中的意外情况太多，战役的责任极为沉重，一向潇洒豁达的陈毅此次作战毫不轻松。他把自己的公文箱挑子也“轻装”了，把最珍爱的书籍、日记、诗稿藏到指挥部所在地严徐庄严博士家书橱的古书后面去，准备在黄桥保卫战失利时打游击。他继续谋划：把留在江南的两个主力营都调过来，而且照会两李：“敝军两个团即将过江通过贵军防区”；他把朱克靖、黄逸峰等派到两李指挥部和各中间势力部队去掌握动向；他发动朱履先、胡显伯等再次致电重庆请蒋介石命令省韩将其部队调去打日军，这次的电报征得空前众多的245位人士签名。
由于八路军和四、五支队有力配合，韩军的几个旅被牵制在北线。刘少奇报告中央：黄克诚部主力决心于4日开始行动南下阜宁，并继续向盐城前进。10月3日，中共中央向重庆国民党当局提出“韩不攻陈，黄不攻韩；韩若攻陈，黄必攻韩。”10月5日，中原局向南下八路军及四、五支队发出《为配合陈毅部消灭顽韩的政治动员令》，四、五支队3个团东进，将控制运河继续向兴化前进。这种积极的动作，有可能将战略配合逐步发展为战役配合。
但是，在黄桥战场，因为是在内线作战中完全靠自身力量实行外线包围歼敌，就必须速决。而不能为等待增援而冒被围困在黄桥以致日军、中间势力都来下手的极大风险。
10月3日，大雨二日后放晴，一度受阻于雨的韩军正式开进。新四军节节阻击袭扰。中路的左翼三十三师最早抵达黄桥以东，3日中午，开始炮击黄桥外围，下午，开始前哨作战。
10月4日凌晨，三十三师从东面猛攻黄桥，午前11时第一次总攻被三纵击退，在黄桥城防工事外围百米一带对峙至午后1时，顽军后撤换防，准备第二次总攻。
新四军首战求歼的部队独六旅却于4日下午2时许方由古溪出发经高桥向黄桥作一路纵队“旅次行军”。陈毅待其先头部队进至离黄桥五、六里处，其后尾已脱离可以依托守备的高桥镇，即令预伏在大路西侧的一、二纵队出击，从西向东横扫，将其截为数段，加以包围隔断。二纵嗣后即向分界镇迂回前进。一纵继续分割围歼独六旅，从午后4时至黄昏，将其逐部解决，旅长翁达中将自杀。一纵3000人围歼了独六旅3000人。
李守维亲率的中路中坚一一七师的三四九旅因遭新四军的阻击钳制，距离尚远，无法解独六旅之围。李守维判明新四军主力正用于围歼独六旅，黄桥守军必少，乃令三十三师死力猛攻。三十三师战斗力颇强，一部突进了黄桥东门。此时黄桥如果失守，即使消灭了独六旅，新四军3个纵队仍将被八十九军分割，整个战局仍可能迅速恶化。陈毅、粟裕立刻命令陶勇的主力第三团反击。这时正好传来消息，江南的老四团第三营已渡江，离黄桥20余里，部队闻讯振奋，陶勇挥起马刀，率部反击，将顽军悉数歼逐。
独六旅就歼后，二纵已绕至顽中路左翼三十三师之侧后，并于4日午夜12时进占分界镇；一纵由高桥经八字桥插向东南，到达李守维指挥部所在地野屋基的侧后；三纵又于5日凌晨2时以两个营一度从黄桥出击，至此，新四军3个纵队第一线5000余兵力三面围堵八十九军1万之众的态势初步形成。
5日上午，在一一七师主力到达黄桥外围后，李守维下令以强大炮兵火力掩护三十三师及一一七师同时猛攻黄桥，战斗一度十分激烈。但三十三师受二纵牵制，不敢倾力向前。此次总攻终被击退。而一纵随即向野屋基一带发起进攻，二纵也加强攻击。八十九军方知自身将陷于不保。
八十九军不愧是主力，抵抗与反扑相当顽强。陈毅报中央和叶、项的电报中说：“空前恶战”，“攀登屋顶顽固抵抗拼刺刀七八次”，“我一、二、三、四、九各团进攻凶猛，刺死敌官兵在千名左右，敌胆始寒”。
5日午夜，三十三师在二、三纵夹击下被击溃，大部被歼，余部向八十九军军部及一一七师靠拢混合。用两李部队的副总指挥、军统分子卢印泉向重庆及三战区报告中的话来简述：“……三十三师有一部败退，波及军部危急。（李守维）仓卒间未加部署，下令全军退却。结果伏兵四起，纪律不好，人民蜂起追杀，全军覆没。”
八十九军军长李守维中将在黑夜突围时被乱兵拥入河中淹死。
新四军不顾疲劳，当即展开追击，于6日下午包围解决了麇集营溪的独六旅残部、一一七师余部共3000余人。新四军遂于七日黄昏占领海安。随后，又连下富安、安丰、东台，于10月10日与南下增援的八路军胜利会师于盐城以南白驹镇北的桥头。
此役，韩军主力第八十九军及独立第六旅被歼12个团，连同保安旅团被歼一部，共歼顽军1.1万余人。
刘少奇对南下八路军及四、五支队的政治动员令中说这次决战“有伟大的决定的意义”。黄桥战役胜利后，刘少奇10月8日报告中共中央说：“在敌寇汉奸与顽固派的夹击中，我党在华中工作已取得决定的胜利，打开了苏皖广大敌后地区建立抗日民主根据地的局面。”
第五节 军政全胜
大胜以后，陈毅面临着两大具体问题：一是要不要进攻兴化，歼逐省韩；二是如何对待中间势力。
韩德勤从东台逃入兴化水网地区，他在兴化周围尚有三十三师的一个旅和保安部队共1万余人。他一面增修工事，一面托韩国钩、李明扬等向陈毅求和。
这时，如果仅仅着眼于建设华中的大根据地，似应以彻底解决韩部为有利，衅由彼发，师出有名，反正是已经决裂了的，再决裂一下亦不是大问题。
在把省韩赶离江苏后，共产党、新四军就可成立苏中和苏北两个行政公署，将来还可召集6个根据地（加淮南、淮北之路东、路西）的党、政、军、民代表大会成立苏皖行政委员会。但是还必须估计韩顽尚有相当力量，会死守兴化最后阵地，新四军疲劳、地形不熟、不惯水战，攻兴化不一定有胜利把握。陈毅多次发电报告情况，请示中共中央和新四军军部关于是战是和的方针。当时苏北各方代表云集于陈毅的指挥部，探询新四军的意图。蒋介石、顾祝同则利用两李、陈泰运对新四军的恐惧心理，胁诱他们与韩合作，共同对付新四军。陈毅认为急攻兴化，固然可能立即消灭韩部，但要付出重大军事代价；更重要的是会促成李、陈与韩的联合，各保安旅、团会被迫投降日军当汉奸。黄桥战役新四军忍让自卫，取得广大中间势力的同情；决战胜利，又和八路军会师，军政力量均已占压倒优势，苏北人民已公认共产党的领导。
如急攻兴化，政治上反为不利。
中共中央根据全国形势，电报指示：应该考虑韩德勤与蒋介石、顾祝同的关系，暂时不宜采取彻底消灭的政策而使国共关系严重恶化；应对韩顽施加军事政治压力，扩大抗日根据地，迫使他接受和平条件，特别是促使重庆政府命令顾祝同、李品仙停止进攻皖南、苏南、皖东抗日根据地。
中共中央同意刘少奇的建议由陈毅统一苏北军事指挥。
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