政治上孤立省韩的部署圆满完成了，决定性的问题还在于：军事上如何在八路军和四、五支队的战略配合下，完全以自己的力量，不仅粉碎韩军的进攻，还要歼灭韩军的主力。
　　根据侦察和统战所得情报，韩德勤进攻的部署如下：右路军是两李和陈泰运部队。韩德勤令其向黄桥西侧进攻，并从右侧掩护在中路进攻的韩军主力。事先，省韩多次向国民党军委会告状，使之得出了“李明扬不服韩之指挥，坐观成败”的严重考语，同时，韩又给两李10万元拉拢。战时，省韩还将派专员在两李及陈泰运的指挥部联络监视。所以这右路军的中立也并非完全可靠，万一变脸，1.2万人的兵力压上来，当然是严重的威胁。
　　左路军由第一、五、六、九、十共5个保安旅的大部组成，任务是攻击黄桥东南。
　　进攻军的主力全在中路。中路军又分3路。第八十九军的三十三师为左翼，攻击黄桥东面。军长李守维亲率一一七师大部及军独立团、炮兵团等为中坚，由营溪南下，攻击黄桥东北。装备精良的主力独立第六旅为右翼，攻黄桥北面。这中路共有兵力1.3万人以上，中路的3支人马在黄桥附近将基本上联成一片，离黄桥20里时相隔也不过10余里。新四军若集中兵力攻击其一路，另一路很快可以增援，很难围歼，相反会使新四军迁回部队陷入腹背受敌的被动地位。
　　如果全部进攻力量26个团3万余人齐头并进，黄桥新四军更穷于应付。
　　同时，日寇也加强了长江封锁。沿江驻守的顽军也劫走船只，不让新四军“逃往江南”。
　　这是抗战开始以来全国规模最大的一次反摩擦作战。
　　作战方针是独立歼韩。实现这方针的作战方案却非常难以制订。
　　一种考虑是固守黄桥，等待增援；或固守黄桥，击溃进攻之敌。击溃不是歼灭，只是打退。固守的结果，双方消耗都很大，这对新四军来说还是得不偿失。更严重的是新四军消耗过大，战斗日期延长，黄桥将出现危局：原本中立的两李、陈泰运部队和原本不积极进攻的保安旅、团将乘机或被迫向黄桥进攻。甚至如刘少奇所提醒的“敌‘扫荡’配合韩”。这都可能造成不堪设想的后果。实践证明，虽然中共中央、中原局和八路军黄克诚部到10月1日前后都决心增援陈毅，八路军并于10月5日出动，但在八路军所不习惯的河川地区战斗前进，速度受限。在韩军主力已于10月6日被全歼于黄桥的情况下，八路军经过多次战斗方于10月10日抵达盐城以南的白驹一带，离黄桥地区尚远。如果黄桥新四军采取固守方案，危险极大。
　　另一种方案是分派一部分主力东进，吸引韩军分兵追击。新四军主力也不守备黄桥，求得在运动中歼顽主力一部，迫使韩顽撤退。这方案分散了新四军主力，不能大量歼灭韩军主力，战役一开始即放弃黄桥，进行无后方作战，必然影响民心士气，对支持战争亦很不利。
　　陈毅、粟裕与钟期光、叶飞、王必成、陶勇等反复勘察和研究，制订了以黄桥为轴心，诱敌深入，各个击破，并以独六旅为首歼对象的作战计划。
　　以黄桥为轴心，可在扼守黄桥过程中大量吸引和消耗韩军主力；更便于在黄桥及其翼侧关照全局，围绕此轴心机动地转用兵力，逐个地分割围歼韩军。
　　吸取营溪战斗的教训，决心最大程度地诱敌深入，将韩军直放到黄桥附近，以便切实包围。
　　最关重要的是选准独六旅为首歼对象：
　　独六旅为韩军中路右翼，再右即为右路军两李部队。两李可以被迟滞，使独六旅的右侧完全暴露，便于新四军主力埋伏于其开进道路之西面，举行突袭。在正规防御战中采取游击运动战的伏击突袭，可以取得出敌意料的巨大优势，利于战斗速决。而速决，对于这次战役的初战来说，特别重要：韩军其主力增援不及，新四军可以及时转兵进行连续的歼灭战。独六旅是装备精良的主力，韩德勤决想不到新四军会打强敌，新四军便能出奇制胜。打掉独六旅这样的主力，使韩军大为削弱，韩军士气也会大受影响。打掉独六旅这样的主力，可以进一步吓住两李、陈泰运等中间势力中的不稳定分子。打破了中路军的右翼，中路军中坚的翼侧暴露，缺口大开，便于新四军向东穿插，对其中坚或左翼再次进行迂回包围，连续作战。
　　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。”