9月12日，中共中央军委又连发两电给陈毅、宋时轮，进一步明确指出：你们此次歼击南下之敌，务期必胜，首先只打一个旅，以期速决尽歼，得手后再打一个旅，决不可同时打两个旅。特别强调：“此战关系大局，望集中全力以赴”。（《毛泽东年谱》下卷，人民出版社、中央文献出版社，1993年12月，第1版，第133页。）
粟裕接到中共中央军委电令，立即收拢部队，冒着酷暑大雨，昼夜兼程北上。9月13日，粟裕（谭震林已于10日由苏中前线返回淮安）率领华中野战军指挥机关到达东台县城以南的富安，在那里发电报给陈毅和张鼎丞、邓子恢、谭震林，报告：“五旅一部昨晚已由东台北来，其余正续进中。一、六师北来参战当不成问题，祈放心。虽然他们对苏中有些恋恋不舍，但会绝对服从整个战争利益的”。粟裕到达富安时已是半夜，没有停留，立即乘汽车北上，第二天下午到达华中军区驻地淮阴城东10余公里之马厂王高村。
此时国民党整编第七十四师已经攻占泗阳，开始向淮阴进攻，与华中野战军第九纵队、第十三旅在泗阳、淮阴间激战。淮安城内时闻炮声隆隆，形势异常紧张。
陈毅决定由谭震林组织指挥所，统一指挥第十三旅十八团、第五旅、第九纵队及淮宝地方部队，担任保卫两淮和淮宝地区的作战任务；以山东野战军主力第二纵队、第八师和第二十旅阻击可能由众兴东犯之国民党第七军。同时指令谭震林：“为防万一，请准备随时能破毁淮阴北大桥”。
9月15日，两淮保卫战开始。
粟裕与张鼎丞，邓子恢、谭震林分析两淮战场敌我态势，认为第七十四师已经进至淮阴西南的马头地区，我阻击部队的反突击只能阻延敌军前进，而不能歼灭该敌，改变战局，两淮仍然危险。同时，据守泗阳、众兴一带的敌第七军动向尚未判明。如仅以山野各部对付第七军，“恐难解决战斗，且仍是一场恶战，对今后继续作战不利”。因此，他们在9月15日和16日连发两电给陈毅并报中共中央，建议山东野战军主力即移淮阴附近，首先集中全力歼灭整编第七十四师1个旅，然后再进行第二步作战。
电报说：“我们始终认为，山野不宜守待七军，而以转移主力首先歼灭七十四军为宜。其理由如下：甲，战局不宜长期僵持，否则敌人深入马头，逼近两淮，对我有重大威胁，于今后作战不利。乙，初战必须完全胜利，应以先打战力较弱的七十四军为宜，该军弹药消耗至尽。丙，目前单以山野与七军作战，恐难完全解决战斗，即或能顺利解决，亦消耗较大，对今后续战不利。丁，初战选较弱敌人打，完全取胜利，对于鼓励士气，振奋人心，发动后勤及顿挫敌锐，均有极大作用。在一、六师未到前，单以五旅，皮旅及九纵，只能抵挡七十四军前进，尚嫌单薄，但又不便抽兵协同山野对七军作战。如山野以一部钳制七军，则一、六师虽未到，我们亦可集中七个旅（山野四个旅及华中五旅、皮旅、九纵）对七十四军作战。此战胜利，一、六师已可到齐。斯时即可集中两个野战军西进或对七军作战，均可有把握打开局面。有上述理由，特再建议先集主力解决七十四军”。
9月17日，第五旅到达淮阴。第六师先头部队到达淮安北郊的板闸墁。粟裕于当天拂晓由华中军区驻地马厂赶到淮阴指挥作战。他和淮阴前指一天连发4电给陈毅，报告淮阴战况，说明“此间局势很坏”，建议和恳请山野主力南下参战，“否则淮阴难保”。同时报告，“王营南北大桥均已架好，可二路纵队通过。山野如南来，一部可在淮阴飞机场西北地区宿营，一部可在王营宿营”。
9月18日，陈毅先后发出3电给粟裕、谭震林。第一电说“为保卫淮阴，决以二纵全部六个团今（十八）星夜赶赴淮阴，协助守军（皮旅、五旅、九纵）歼击七十四师，以七、八师仍于渔沟、来安间阻击桂顽”，要华中野战军“无论如何坚持两天，韦（国清）到即分配出击任务”。第二电说“桂顽三个团猛攻渔沟，我各部遂加入战斗”，“但仍尽可能一二个团今夜南下淮城”。第三电发出时已是18日18时，说“决派十九旅五十六团明晓赶到王营”。
国民党军整编第七十四师、整编第二十八师4个旅，分作一、二梯队，在空军配合下，向淮阴城轮番发动猛烈进攻。华中野战军守军以劣势兵力英勇抗击，17日一天就击退敌人5次进攻，18日又击退敌人3次进攻。粟裕得知陈毅决定第二纵队全部来援，立即调整作战部署，以一部分兵力转入敌后，给第二纵队援军让出阵地。他在发给中共中央和张鼎丞、邓子恢、陈毅、宋时轮的电报中说：“淮阴危机，已屡祈救。念我六师一个旅今晨可到板闸墁，军长已决四二九旅来援，因此我们明晚即可转入反攻，首先歼敌人之一个旅，尔后再歼敌其余部”。中共中央连夜复电，表示“甚好甚慰。望鼓励士气，完成歼敌任务”。
接到陈毅18日18时来电后，粟裕立即指派参谋张剑到淮阴以北迎接五十六团，并要他转交一封亲笔信。
团长、政委同志：
欢迎你们南来参战。特派张剑参谋前往迎接。你们到淮阴后，找五旅联络，归成钧旅长、启民政委统一指挥。预祝你们胜利。
粟裕
9月19日3时
张剑骑马走过淮阴城北的盐河，看到王营大桥已经修复，桥面铺上了木板和柴草。他在王营以北接到五十六团，随即把他们带到淮阴城下。
此时国民党整编第七十四师部队已突进淮阴城关，由两个连迅速扩大到一个团。谭震林赶赴淮安督促第六师先头部队北开，粟裕在淮阴城郊的洪福庄坚持指挥。考虑到淮阴守军经过一周激战，极其疲劳，而且华中野战军主力、山东野战军援军均未赶到，再打下去要吃亏，决定主动撤离淮阴，到两淮以东地区休整待机。
华中野战军守军撤出淮阴以后，中共中央军委于9月20日发出给陈毅、粟裕、谭震林并告张鼎丞、邓子恢的电报，指示：
“我放弃淮阴后，各部主力撤至距敌较远地区休整，以一部扰击敌人，待一、六师到达之后，待敌分散有机可乘之时，各个歼灭敌人。依据苏中经验，敌分散占领我区，利于我各个歼敌，人民亦可从战争中获得锻炼，唯军事工业须迁往安全地点”。（《毛泽东年谱》下卷，人民出版社、中央文献出版社，1993年12月，第1版，第135页。）
为了避免有利于敌不利于我的决战，华中分局和华中军区随后撤出淮安。
两淮保卫战，使气焰嚣张的蒋军整编第七十四师第一次尝到华中野战军铁拳的滋味。但是，两淮是华中解放区首府。国民党军占领两淮，自然是大喜过望，一片欢呼。徐州绥靖公署副主任李延年连夜向蒋介石报功，说张灵甫“深体委座宏旨，指挥有方”，“出师三日，连下两淮”，“粟裕主力死伤殆尽，争相逃之天天”。蒋介石立即传电全军：“张灵甫不愧为模范军指挥官，李延年果不负党国厚望。两淮既克，平定苏皖不远，希再接再厉，迅速扩大战果，谨备勋章重赏以待”。在庆功会上，李延年手捧蒋介石的嘉奖令，大吹大擂：“国军像整编七十四师这样的部队不要多，只须10个，就安邦定国了！”
然而蒋军官兵中也有头脑冷静的人。据说当时蒋军中流传着这样一则趣闻：蒋军七十四师猛攻淮阴，死伤惨重，阵亡团长2名、营长6名，本拟调回南京休整，但蒋介石突然来了一个电报，对该师进占两淮“备极嘉奖”。师长张灵甫为此冲昏了头脑，拍着胸膛说：“拿下涟水再说！”10月19日该师向涟水猛扑。结果，涟水没有拿下，七十四师6000余官兵却在涟水城下找到了他们的归宿。因此有人说，蒋介石的嘉奖令是张灵甫的催命符。
放弃两淮终竟是一件大事，在华中党政军民中引起了种种议论，有人认为应当像“保卫马德里”那样坚守两淮，有人认为撤出两淮是打了败仗。
9月25日，粟裕对新华社记者发表谈话，指出：“我军的撤出两淮，绝对不是我们军事上的失败，而是对蒋军大规模歼灭战的开始。众所周知，我们所进行的运动战，胜败不决定于一城一地之得失，而决定于有生力量的消长。如果我们的有生力量没有损失，则某些城市的暂时放弃，正可以分散敌人的兵力而造成有利于消灭敌人的条件。”（《粟裕军事文集》，解放军出版社，1989年7月，第1版，第280页。）
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