9日10時許，隨著越來越多的部隊報告完成進攻準備，夜間進攻終于可以發起了；但拖拖拉拉的準備行動也早已落入日軍的視覺和听覺之中，感覺**準備工作接近尾聲，日軍的野戰炮群突然對預測的諸個**集結地域發動了火力襲擊，更糟糕的重點轟擊地域就在沭河跟沂河之間**進攻部隊正中，剛調上戰場準備擔任主攻的李默庵第14軍首當其沖，連同兩翼第15、17軍，這三個從二戰區趕來的部隊還未接戰就在缺乏掩蔽的進攻接近過程中遭遇日軍數百門大炮密集覆蓋，成千上萬發重磅炮彈在幾乎毫無遮蓋的**隊伍中連續爆炸，官兵跟武器裝備不斷被炸飛，不斷有彈藥殉爆引發又一輪打擊；老兵們死死擠進原守備部隊數量有限的掩體和炮彈坑中躲避重炮覆蓋，而越來越多的新兵們則驚慌失措跳起來漫無目的的亂跑，直到被炮彈碎片撕爛；十幾分鐘後幾個師就被打殘。**的反擊姍姍來遲，少量重炮混雜在蘇制野戰炮中不斷掃過日軍各個炮兵陣地，但經過一個白天的修築，已初具成型的野戰工事已發揮了相當的防御作用，**炮兵的成效明顯下降。日軍由于補給斷絕也未如往常那樣進行炮戰而是繼續轟擊預測範圍內的**陣地縱深和前沿，一直打到實施夜間轟炸的雙方轟炸機臨空才逐漸停止射擊。
隨著夜空中轟鳴之聲越來越響，雙方控制區內燃起不同的火堆，將飛臨戰場上空的雙方轟炸機隊指揮官弄的雲山霧罩，試探性扔下的炸彈引起雙方地面部隊一片唾罵，結果使雙方又不約而同改去轟炸對方的後方——徐州和連雲港；徐州是早早就熄滅了全城燈火，歷史上應該出現的大批無知漢奸在夜色中點火引導的場面卻因為戰爭跟歷史截然不同的走向而沒有出現，寥寥無幾的火光很快就被機警的徐州警備部隊撲滅，不過稀稀落落的槍聲點綴之下的徐州這種大目標日機還是能夠輕松找的到的，大批炸彈還是扔了下來，只不過準確率大有降低而已；隨著爆炸引起的火災不斷蔓延，徐州城在夜色中逐漸現象出來；可惜為避免**密集而有力的中低空37、20高射炮火，日機普遍采用中高空轟炸導致**防空部隊只能隱蔽避戰、听憑日機轟炸，津浦、隴海鐵路樞紐再次被炸的七零八落。
**雜七雜八的歐美轟炸機飛到連雲港附近也缺乏指引，只能分散投入，一開始就遭遇日軍的陸上和艦上重型高射炮攔截，幸好日軍熄滅燈火晚了一點已被**找準第一批目標，而日軍缺乏中型高射炮的弱點早已被**認知（二戰時期日本海軍大部分裝備的是127重型高平兩用炮和25輕型高射炮，卻沒有歐美國家普遍裝備的37、40、57之類中型高射炮，實戰中飽受美軍戰機打擊）；隨著**轟炸機從中低空進入，日軍的76、102、127高炮威力頓減，而12.7高射機槍、20高炮，甚至新銳戰艦上新裝備的25高射炮有效射程和威力都明顯不夠，匆忙之間陸上的機場和港口附近的艦船被**炸個正著，數百顆炸彈砸過之後也炸的一片狼藉，特別是港口處一艘軍火船爆炸更是火光沖天，只可惜炸彈太輕數量也不足以給日軍以重創。
被圍的日軍主力畢竟顧及炮彈庫存不多，不久之後就放棄了半盲目炮擊，李默庵乘機將白白損失慘重的部隊撤了下去，中間中央軍一撤，左右兩側劉茂恩和高桂滋部雖然傷亡不大但也跟著撤了下去；法不責眾，其余各部也是一哄而散，沂河跟沭河間的反攻于是不戰而收場。李品仙只能灰溜溜回去復命。
相比之下沂河以西的反攻到是在拖延許久之後終于發起，錯過時間反而在一定程度達成了襲擊效果，特別是薛岳率領的主攻部隊從北向南發起全線反攻吸引了日軍主要注意力和預備隊之後，吳奇偉部從西南方向成功殺入日軍第8和第12師團陣地。這兩個師團之前的戰斗損失並不大，但正因為損失小，不少部隊被抽調去其它地段導致本來的防御地段空虛，一個沒注意被64、66軍的突擊隊接連沖破兩段相鄰的防線，日軍終于亂了。華振中160師和孔可權187師齊頭並進，沿著第8和第12師團空虛的結合部一路推進並逐漸擴散開；而這兩個師團的預備隊被抽走，一線崩潰後後面只有一些非步兵單位甚至非戰斗單位，少量警戒分隊被大群的**沖垮後就亂成一團；日軍的混亂終于引來重炮群從北轉回的注意力，連續幾個覆蓋將**後續部隊硬生生切斷，而後是前田利為和上村清太郎指揮的反擊部隊左右夾擊，葉肇跟李漢魂立即投入預備隊，又被日軍以密集的炮轟阻攔，眼見混戰其中數千將士危急而自己的部隊卻被敵軍重炮覆蓋壓著無法投入戰斗時，歐震率4軍終于從正西殺到一舉突入當面第8師團薄如牆紙的防線，160、187師被兩面夾擊的戰斗一下變成第16旅團遭90師和160師兩面夾擊，一線的步兵迅速被4軍沖垮，**越過幾乎空無一人的二線陣地後，正對著160師發射炮彈的第8師團各中隊、小隊炮兵就成為4軍屠殺的對象；雙方一層夾一層如攪肉器一樣混戰在一起，日軍後方的重炮群只能盲目轟擊**縱深，听憑陣地中雙方浴血拼殺。
吳奇偉雖未得到準確信息，但憑多年戰場經驗還是听出點名堂來，趕緊下令59師和159師冒著炮火、分散躍進上去增援，並將155師主力從南面北調，同時向徐州發出要求增援電報。而與此同時，第8師團的第一批援軍已經趕到，2000余名精銳步兵的沖擊立即壓垮59師零零星星的增援，深深切入59師跟90師之間；3個軍都沒有軍屬炮兵（史實，4、66軍一直沒有炮兵營，64軍炮兵留在廣東），配屬的重迫擊炮很快就被日軍重炮壓倒，而大運河以西部署的野炮群又限于射程無法進行有效戰術支援，只能用汽車牽引10余門到運河邊展開、盲目對日軍後方進行騷擾性射擊。
當10日到來的時候，日軍第二、第三批援軍接踵而至，東面第12師團也加強了攻勢打的187師連連後退，有些部隊甚至被壓進160師陣中；而**的增援卻只听樓梯響而遲遲未至，吳奇偉竭盡全力把就近能用的官兵一起投入戰斗也無濟于事，萬般無奈之下只能下令撤退；但撤退，跟北線薛岳徒勞無功的進攻一樣，許多部隊也撤不下來了，還有些官兵更是殺昏了頭。
這時候老蔣的命令終于抵達各兵團︰「堅持下去，援軍馬上就到！」、「羅兵團改打主攻。」
于是薛岳和吳奇偉部的撤退停頓了，而兩部之間擔任牽制的羅卓英則加強了進攻，但整個第14師團駐守的堅固的野戰工事不是一時半刻強攻所能攻破的，何況羅兵團的核心還是善守不善攻的土木系主力；為繼續牽制日軍，薛岳投入了最後幾團預備隊；而吳奇偉已無兵可增，導致南側局勢越發惡劣。
戰至凌晨1時余，薛岳和羅卓英雖得到一些跑的上氣不接下氣的雜牌援軍但攻勢都停滯不前，而局勢最危急的吳奇偉卻遲遲沒有得到援軍，難道這種時候還有誰敢陰人嗎？當然不算陰，只不過是某些大員不想犧牲自己的部隊投入必定損失慘重甚至全軍覆沒的戰場，故意調最遠的一路川軍增援粵軍吧了。等陳誠發覺大怒之余也只能把就近守備運河的167師調上去增援了。若我在肯定會制止了，因為我模糊的記憶里還有歷史上武漢會戰中被老蔣槍斃將領中就有薛蔚英其人；既然本人不在，于是本該在歷史上差不多同時進行的武漢會戰湖口作戰中丑惡的一幕改在大運河邊上演了。吳奇偉左等右等援軍不來，最後連各軍、師的特務營跟工兵營連都被拉上戰場，又被如潮涌上的日軍打的落花流水。最後也不用下令撤退了，還在吳奇偉、歐震等人滿頭大汗忙的籌措之時幾個師就已經自行崩潰了。
總撤退！凌晨2時20分老蔣的命令終于下達到前線各部。
在各色信號彈不斷劃過夜空，**各炮兵部隊不惜暴露及嚴重損失的拼力轟擊掩護的背景下，20余萬**開始了艱難的撤退，還有成千上萬的將士已經陷入日軍包圍的困境無法月兌身；損失較輕的薛岳指揮各軍也在陣前留下幾萬戰死者的尸體；而吳奇偉的3個軍則被徹底打殘了；連兩部之間擔任牽制的羅卓英部傷亡二萬余人。