4日清晨，雲層更厚了，但雨水還是遲遲不下。不管天氣如何，天上大批陸海軍戰機臨空周游一番眼見實在無法參戰只能悶悶返航;而地面十幾萬日軍在300余輛戰車、裝甲車掩護下沿著隴海路已開始了滾滾西進；東面連雲港外，岡村寧次大軍也已經開始登陸。
由于韓復 8萬大軍瞬間崩潰，**第二道防線當即遭遇進攻，日軍重施故計從南面迂回，展開在洪莊鎮附近的第1、2野戰重炮旅團則用100多門150榴彈炮、105加農炮乃至150加農炮等重炮對準十幾里外**陣地狂轟一個半小時才嘎然而止，正好使日軍大隊人馬穩步推進到韋雲淞陣前，中央近二千米內的‘大堤’已經被一萬多發重彈連同前一天投下的幾百枚重磅炸彈一起炸的只剩殘根，連‘大堤’前的反戰車壕都被炸起的浮土填沒大半，當面守軍則基本上已經炸的不知去向。就在零零星星的槍聲和爆炸聲中，日軍步兵以微不足道的傷亡越過這一道陣地逐漸延伸，而緊跟的第1機動工兵聯隊則迅速填埋反戰車壕。
不遠的西方是**還未完工的第二道防線第二條陣地，既沒有‘大堤’也沒有深壕，眼見光憑加固的野戰工事和區區一條只能防防步兵的小壕溝根本無法抵御日軍裝甲部隊的進攻，韋雲淞萬般無奈下達反攻的命令，隨著信號彈飛起，早有準備埋伏在陣地前方浮土下的桂軍一躍而起，向著正緩慢模索前進的日軍步兵發起決死沖擊。走在最前面的日軍斥侯分隊立即臥倒，歪把子、三八步槍、甜瓜手榴彈將一排排桂軍將士擊倒炸飛，但更多的桂軍不顧傷亡一擁而上沖入日軍當中，雙方受過同樣拼刺訓練的士兵（抗戰前桂軍聘請日軍教官訓練部隊）就此交織在一起，刺刀對刺刀殺成一團。
本來只要不顧少量前衛開火是不會造成如此窘境的，但第1師團的東京市民味濃了點，稍一猶豫就讓大批桂軍沖進了自己的大橫隊當中展開短兵相接的混戰；固然壕溝東側等待過溝的裝甲部隊和炮兵反映迅速，很快就用大量輕炮轟擊封住了**後續投入，但糾纏在一起的兩軍已無法分隔開來，河村恭輔只能繼續投入部隊增援。
雙方投入兵力固然不少，但近2000米的寬正面導致雙方都後續乏力，慘烈的日式拼刺頃刻間就以中日雙方兩敗俱傷而告終，數千名雙方戰士就這麼橫七豎八趟倒在兩道陣地之間，少數幸存的桂軍也被第1師團的增援槍殺。
一個多小時後，隨著大批裝甲車輛駛過被填平的反戰戰車壕，日軍的進攻再次開始，131師和135師的野戰工事根本無法抵御日軍裝甲大軍的進攻，縱使桂軍配屬有中央調撥的2個連戰防炮，在炮擊和轟炸之下幸免的德制37戰防炮也僅僅來得及發射幾發炮彈給日軍制造的屈指可數的戰車損失就被摧毀；反而是一些殘存的桂軍在近距離上用反戰車手雷給日軍制造了更多的傷亡。
上午10時，桂軍的士氣終因傷亡大半且失去指揮而崩潰，隨著131、135師殘存官兵四散奔逃，在裝甲部隊伴隨下，大隊日軍隆隆推過第31軍主陣地逼近雙塘鎮。
「軍長快走。」138師師長莫德宏再次跑進軍部催促。
「致寬啊，是咱們成仁的時候啦；等敵人逼近，我們各帶一個團反擊，掩護其余部隊撤退吧！給31軍留點種子。」
「軍長不走的話我們軍就完了，莫師長還是陪軍長一起走吧，我來指揮打反擊，留一個團就夠了。」參謀長陳濟桓插言。
「那就拜托昆山兄了。」韋雲淞還要說，莫德宏等眾將校已簇擁著韋雲淞上馬南逃而去。
眼見大批**混亂的跑離雙塘鎮向西向南潰逃，早就因伴隨步兵等的不耐煩第3戰車聯隊主力立即發動馬力追殺而去，只余一個中隊‘豆’戰車伴隨第49聯隊主力殺入鎮中。
「投彈！」隨著埋伏在房舍間的陳濟桓一聲令下，幾百枚手榴彈和夾雜在其中的少量反戰車手雷一起砸向沖在前面的日軍戰車和步兵，一場劇烈的連續爆炸將日軍前鋒炸的七零八落；但後續的大隊日軍也只有瞬間的失神，隨即號稱‘玉’的東京第一師團傲氣就發作了，數千名日軍不顧一切沖入雙塘鎮中，以828團為主的桂軍拼死抵抗，雙方在狹窄的房舍間展開慘烈而短暫的死拼，雙方槍械中的子彈耗盡後很快就陷入冷兵器的搏斗和手榴彈的爆炸之中，雙方官兵頃刻間倒下一大片；擁擠不堪的雙方戰死者尸體終于為**提供了一個短暫的空間，在陳濟桓指揮下，殘存的、包括傷員在內的幾百桂軍依托鎮中央的磚瓦房組織起最後的防御。十幾分鐘後，略微整頓的日軍第1旅團就發起的進攻，桂軍殘存的幾挺機槍沒幾下就被日軍密集的炮彈淹沒，但138師的抵抗還在繼續，在稀稀落落的步槍聲中，手榴彈依舊不斷飛過半塌的牆頭，一次次炸倒沖鋒的日軍；而日軍的戰車限于滿街都是己方戰死者而不敢前進。
步兵等待片刻後正要再次發起沖鋒，河村恭輔趕到了，「步兵炮小隊、平射炮中隊立即部署、開火。」
中午12時27分，隨著一陣震耳欲聾的爆炸，雙塘鎮失守，陳濟桓以下2000余人全員戰死，比歷史上陣亡的時間早了近7年。
此時早已西進的日軍裝甲部隊已經離新安鎮不遠了。守軍是樊崧甫指揮的中央旁系46軍，董釗、周士冕、黃國梁（**將領中有幾位黃國梁，此為廣東增城人、粵軍出身、字日如的黃國梁）三個師並列展開，有標準的宋式‘河堤’主陣地，後續諸道工事還在熱火朝天的建設中；更關鍵的是陣地前有沭河，這條不寬的河流成為阻擋日軍前進最大的屏障，而且河上公路橋及幾座傳統石橋已被工兵炸毀，連連接隴海路的鐵路大橋也在烈性**爆破下成為殘骸。
不過日軍顯然也早有準備，推進到離沭河不遠處大軍停止前進，兩翼則向南北拓展。很快，南進日軍第15旅團就拿下運河邊的塔山，隨即對幾里外的踢球山發起進攻。不高而平緩的山勢，簡陋的防御工事和更簡陋的武器裝備，保安團加新兵組成的部隊質量，注定199師的防御是短暫的，但就在這短暫之中，羅樹甲率領的以湖南保安團為核心的這支新部隊也將湘軍的悍勇發揮的淋灕盡致。
日軍的第一波沖鋒，**依仗著陣地前雷場（雖被日軍火力準備摧毀一半）和機槍、迫擊炮發威打了下去，但這些支撐火力也被日軍用炮火摧毀大半。
日軍隨即發動第二波沖鋒，在精準的輕型火炮點殺下，199師一線殘存的火力點被迅速摧毀，就在日軍殺過一道淺淺的戰壕即將沖上山頂時，反斜面上沖鋒號起，4個營的**端著步槍、揮舞著大刀迎著日軍反擊反沖鋒；日軍措不及防，前排步槍手和後方輕炮兵僅僅發射一兩次就被**沖入陣中，雙方隨即展開激烈的冷兵器對決，瞬間死傷一大片；但日軍的大炮兵支援隨之而來，一排排重彈砸進**縱深，反斜面上也是爆炸連連；失去後援的2000**在數千日軍的圍攻下很快全軍覆沒，但短暫而激烈的交火也使日軍留下上千死傷，加上之前的損失，迫使南下日軍攻佔踢球山後止步于宋山之前。
與此同時，第2師團北上在大埠山至馬陵山一線遭遇李仙洲92軍的抵抗。但顯然，貼近隴海路的簡單野戰防御實在不是劣勢裝備軍隊所能長期保持的。在打退第2師團搜索部隊試探後，安井藤治並未立即投入進攻，而是等待1個多小時野戰炮聯隊進入陣地後，密集的炮彈如雨點般砸進21師和13師的前沿陣地。炮擊整整進行了40分鐘才開始延伸射擊，已將一線守備部隊和反斜面上的預備隊炸的七零八落；而後安井才下令第29、第16聯隊才沖向**殘破的小山陣地。抵抗是輕微和散亂的，因為大批**已經開始潰逃；日軍攻佔各制高點後，鑒于天色漸晚且西有沭河主攻無法進行而放棄追殺轉入防御，從而結束了一天的進攻。
雲層雖然很厚導致雙方戰機無法精確執行前線戰術任務，但並不妨礙日軍對徐州的大轟炸，縱使空軍大批伊16戰斗機在外圍不斷沖刺，大量陸軍和空軍的高射炮在近處不斷對空射擊；有大群95、96戰斗機掩護，排著密集隊形的日軍轟炸機群還是不斷將炸彈扔進徐州市區，特別是是隴海路和津浦路交匯點附近，數以百計的炸彈將鐵路樞紐炸成廢墟。雙方為此付出的代價則是不斷有戰斗機和轟炸機從空中墜落，引起各處一連串爆炸和火災。直到天色漸晚，空中的戰斗才逐漸停息。