韩德勤视新四军退让为软弱，决定进攻黄桥，吃掉新四军。他于9月30日命其部兵分3路扑向黄桥。10月4日上午，韩军第三十三师首先向黄桥东门发起强攻，先后攻克黄桥东面的小焦庄和发电厂。至下午2时，向东门的进攻进入高潮，第三十三师先后7次冲到东门，双方反复争夺，战斗呈白热化。下午3时，从高桥南下的翁达独六旅前锋已抵达黄桥以北3公里处，完全进入新四军设伏地带。预伏之叶飞第一纵队立即分路出击，将独六旅切成数截，首先攻击其旅部和后卫团，迫使其先头团回援，然后以一部从侧翼迂回到独六旅后方，趁势将该旅包围。经3小时激战，全歼独六旅，中将旅长翁达自杀。

第三十三师为扭转不利局面，仗着人多、弹药充足，拼命猛攻东门，守军防御工事大部被密集炮火摧毁，部队伤亡甚大。韩军曾一度攻进东门。第三纵队司令陶勇和参谋长张震东亲自挥动马刀，率领部队硬是把韩军杀出东门，然后架起机枪，将韩军死死顶住在东门外。在中共苏北区委的组织下，黄桥及周围地区民众纷纷成立担架队、纠察队，掀起了支援前线、保卫黄桥的热潮。镇上60多家烧饼铺的工友日夜赶做烧饼支援新四军。5日夜半时分，粟裕见时机成熟，命王必成率第二纵队切入韩军背后，断其归路。叶飞率第一纵队不顾激战独六旅后的疲劳，挥师南下，奋力攻击第八十九军司令部。陶勇亦从三纵守备部队中抽出力量，把包括炊事员在内的所有人员组织起来，从黄桥的东门及其两侧正面出击，完成了对韩部第八十九军的合围。经一夜激战，至6日清晨将该军全歼。中将军长李守维乘马逃跑时失足落水溺毙。此战，新四军以少胜多，歼灭韩军主力12个团及保安旅一部，共计1.1万余人，俘韩部师、旅长以下军官600余人，缴获步马枪3000余支、手枪200多支、重机枪24挺、轻机枪135挺、炮8门，还有大量军需物资。

黄桥战役的结果，使苏北国共之间力量对比发生了根本变化。新四军掌握了政治上和军事上的主动权，在苏皖广大敌后地区建立起根据地。