雖然日軍一萬多槍械和幾百門擲彈筒等輕炮拼命發射，致使**在接近日軍陣地的幾百米距離內倒下一批又一批將士，但數量處於絕對劣勢、又缺乏重武器支援、中輕武器被壓制、又缺乏防禦工時的日軍終於陸續被**在火力上壓倒。不可避免的，一個師一個師的**進攻部隊衝進了日軍分散部署的12個防禦陣地中，很快到處都是數千乃至上萬**圍着一千多日軍廝殺。眼見因爲防禦地域過長只能分散防禦的陣地就要崩潰，急的滿頭大汗的安井藤治收羅了兩支預備隊投入中部第4聯隊和靠沂河的第30聯隊區域，前者是以第2騎兵聯隊殘部爲核心的、配有十幾輛戰車和裝甲車的支隊；後者是以剛過河的114師團102聯隊爲主的步兵大隊。
很快，第2騎兵聯隊就替設計他們編制的將佐付出了代價，裝甲中隊、摩托車中隊、騎兵中隊，再加上配屬給他們的步兵大隊混亂的、難以協同的行進受到了槍林彈雨的洗禮，陳烈率領第14師用機步槍、迫擊炮和高平兩用37炮將不能和來不得趴在地上的人和物全部打趴在地上後，日軍還能動的官兵一溜煙竄回了隴海鐵路附近垃圾堆中的第2師團指揮所報喪。於是第4聯隊和更西面的第29聯隊的命運就決定了，6個大隊步兵、各直屬中隊及各單位找來的一些散兵遊勇一起被羅卓英指揮18軍和54軍打的只剩第29聯隊一部分逃到第20師團處避難，而第4聯隊則被打的找不到影子。
第102聯隊的反擊依仗沂河以東的炮兵支援打的自是頗爲順利，尤其是他們的進攻路線正好避開了東北兵團的主力第71軍，一路攻擊前進將第198師的進攻隊伍擊退，導致王東原的側翼暴露，湘軍雖然勇悍但畢竟是地方派系不免暫時收縮掩護側翼，一時居然拖住了東北兵團一半攻勢。氣的薛嶽也來不及投入預備隊，直接下令宋希濂加強攻勢，一時間三大德械師火力全開，這支此時本該元氣喪盡的抗戰前夕**第一強軍再次發威，僅僅20多分鐘內就接連報告擊破第16聯隊3個大隊陣地。於是第2師團的抵抗徹底崩潰，安井藤治在如潮的**到達前狼狽不堪的放棄垃圾堆司令部跟着第30聯隊殘部和第102聯隊向沂河渡口逃去，把一線第8、14、20師團，加上正向南防禦的第12師團主力一起陷入尷尬的境地。特別是側翼暴露的第20師團，被西、北、東三面夾擊打的連連後退，川岸文三郎眼見勢危，只能拋棄最北面的第78聯隊奪路而逃。
不過此時跟他們僅僅是尷尬相比，部署在沂河至沭河之間的河村恭輔已經在叫救命了，不但如此，面對李品仙率領的7萬桂軍犀利的攻勢，河村還把第66聯隊扣了下來填補防線的缺口，甚至想把警備沂河渡口的第24聯隊及幾個高射炮隊也挖去擔任地面防禦被多田駿制止。即使得到援軍，本就疲憊且傷亡頗重的第1師團也在7軍和48軍夾擊之下只能不斷放棄局部陣地做且戰且退的行動，隨着31軍發力，主力糾纏於7、48軍當面的第1師團更是吃力，局部甚至被壓退到鐵路線附近，不少來不及撤退的日軍輜重也受到波及，不斷被**擊中起火甚至發生爆炸。
對日軍來說，此時更危險的是沭河以東，蔣鼎文和孫連仲南北兩路十幾萬大軍夾擊之下，下元熊彌連抵抗的想法都沒有就直接下令撤退，而沿隴海路直接警備狀態的第108師團連撤退都難以進行，結果只能是一拆爲二各奔東西，東面第104旅團等部丟盔卸甲逃進了海州，西邊下元率領其餘部隊一退退到紓河邊堅守橋頭堡，而中間來不及撤退的部隊則很快就被各路**迅速劃分。
“岡村君還能指教一二嗎？”望着吵鬧到已經亂的像菜市場的方面軍司令部，多田駿還算冷靜的詢問。
岡村寧次沉默許久終於說到：“收縮防禦，堅守陣地，等待東久遜宮殿下北上和國內派遣援軍。”
“不試一試反擊？”
“這一戰我們輸不起；當面華軍的戰力遠超過我們的預計。”
多田駿也沉默許久才說：“那好吧，按第三方案收縮防禦怎麼樣？”
“第三方案？但願。。。”
下午5時，早已得到命令的各路日軍在陸海軍航空隊極力掩護下同時向沂河和沭河間預定地區撤退。這是艱難的撤退，縱使大運河和沂河間最大一股日軍也在20多萬**強攻之下丟盔卸甲不斷實施‘斷尾’戰術才能勉強保持陣型；只有沂河和沭河之間，日軍爲保持部隊完整，河村恭輔得到預備隊第5師團增援對桂軍發起反擊、逐漸穩住陣腳；新桂系部隊勇敢是勇敢，然終究還是被白崇禧和日軍教官練廢了，大量將士勇猛衝擊日軍密集防守、在密集火力掃射下白白死傷，而操縱中輕型迫擊炮的新手們卻屢屢無法有效擊中目標；7軍和48軍的老兵們雖然依仗嫺熟的技戰術和數量優勢屢屢突入第1師團的陣地，但都被日軍的反擊輕易摧毀。桂軍將領越打越急，不斷投入新的兵力加強進攻，戰死的將士在日軍陣地前沿逐漸堆高；後方中央配屬的重迫擊炮不顧日軍天上地下越來越大的威脅打了一個又一個齊射，不斷有炮彈和炸彈命中雙方的炮兵陣地引起一連串爆炸，天上還不斷有雙方的戰機墜落引起一次次劇烈的煙火升騰；雖然雙方支援火力不斷削弱，但雙方的步兵依舊不斷擁上一線，第1和第5師團聯手對抗新桂系主力打的難解難分，但桂軍依舊無法形成大的突破。
**的部署不當後果也終於顯現，蔣鼎文和孫連仲兩路主力已會師在隴海路上暫無事可幹，而東西兩邊的**卻在浴血奮戰缺乏及時的後續增援；特別是東面的張自忠拼的更是辛苦，所屬4個軍雖有2營中央軍炮兵支援但還是被絕對優勢的日軍重火力壓的喘不過氣來，僅靠步兵不斷拼死推進，而擔任正面防禦的又是日軍中最能防守的第4師團，堅固的野戰陣地、熟練的技戰術，精確的射擊和炮轟，不斷侵吞着西北軍的有生力量；結果出死力的59軍和中規中矩的77軍打的損失慘重也未能拿下第4師團的主要陣地，而石友三隻發力攻了一波未克就轉而敷衍了事，劉汝明見狀隨之效仿，導致東面的進攻逐漸停頓下來。
直到此時蔣、白等人才發覺部署錯誤，趕緊下令孫連仲率己部及蔣鼎文一部東移支援張自忠，蔣鼎文則西進攻擊還在沭河以東的下元熊彌，然許多部隊距離攻擊目標還有十幾、二十幾裡，轉移進攻都需要時間，關鍵的時間。
夜色逐漸降臨，損失慘重的雙方戰機羣不約而同撤離了戰鬥，空中的硝煙是平息了，然地面上的戰鬥還在持續。
最西面，雙方數十萬主力在沂河西岸血戰，吳奇偉在西南、羅卓英在西北聯手狂攻正在東撤的日軍主力，而薛嶽在正北竭盡全力向南突擊，試圖截斷沂河上的浮橋羣，然第2、114師團殘部，再加上剛趕到的第12師團一個支隊爲主力安危極力抵抗，雙方在昏暗中都是死戰不退，**依仗着數量優勢不斷投入剛趕到戰場的新銳部隊，壓的日軍逐漸後退，最北面的浮橋已經在**衝到之前爆破破壞，眼見形勢危急，多田駿咬牙下令全區域無差別射擊。頓時，各個方向上數百門大炮一起向着沂河西岸邊中日雙方激戰的地方開火，數以千計的炮彈連續不斷的劇烈爆炸將雙方正在拼殺的、毫無遮掩的將士一起覆蓋並逐漸向北延伸。
沂河和沭河之間的戰事也出現變化，白天損失慘重而戰果寥寥的桂軍因爲黑夜的到來反而發揮出其近戰強悍的特性，而日軍因爲黑暗、火力的精度乃至強度都驟然下降，一升一降的結果是固然日軍是第1、第5師團聯手，而10個師桂軍一起上陣（雖然有多個師已經損失過半）也有多路終於成功突入日軍陣中，接受過同樣訓練的雙方立即施展同樣的拼刺技術混戰在一起，只不過這場短兵相接很快就變成桂軍發起的手榴彈互擲；爆炸不斷將雙方炸開又聚攏，死傷都是直線上升。
沭河以東，爲保留橋頭堡，日軍投入最後一個預備隊、剛重建完成的第109師團，谷口元治在第108師團主力協同下發起反擊，蔣鼎文率領第2、52、75、85軍施以對攻，雙方迅速混戰在一起；湯司令坐冷板凳、胡宗南也暫時靠邊站，劇烈刺激了嫡系將軍們的神經，10萬裝備精良、訓練有素的中央軍精銳拼命起來還是很具威力的，何況日軍除橋頭堡附近外，連像樣的野戰工事也沒有，109師團又是重建的新兵師團，縱使從各部隊抽調來的職業軍官和軍士們能打，充斥着低級別預備役士兵的部隊在黑暗中混戰是無法發揚戰鬥力的；結果只能是被打的節節敗退，以比108師團更快的速度一路退回進攻發起線。