10日拂晓，日军飞机大炮轮番轰炸小蚌埠，我军阵地尽成焦土。日军千余遂强渡淮河。上午10时，我守军同登岸日军再度展开白刃战，六七三团几乎全部牺牲。六七四团奉命前来增援，在小蚌埠街市上与敌展开巷战，敌我双方几进几出，反复争夺。周师长命令三三七旅窦光殿旅长：“咬紧牙！咬紧牙！拼才是生路！”同时命令三三九旅孟宪周旅长援助三三七旅全力恢复小蚌埠。孟旅长亲率六七八团赶来增援。白刃战前后持续了4个小时，战况极其惨烈。经苦战，小蚌埠被我军夺回。
11日晨，日军又潮涌而至，六七四团在团长张儒彬率领下浴血奋战，在北岸死守不退，子弹打光了，就用刺刀肉搏，数小时内，小蚌埠失而复得，易手四五次。上午10时，该团伤亡殆尽，“其最后之殉国官兵均高唱救亡进行曲慷慨赴难，尽为国殇”。一一三师虽竭尽全力，顽强拼杀，但终因寡不敌众，后援不足，小蚌埠再陷敌手。
临淮关方面，2月10日凌晨l时，日军大炮30余门，向淮河北岸我军一一四师三四○旅六八○团阵地猛轰，掩护步兵强行渡河未逞。上午6时，在飞机大炮掩护下，日军步兵一个联队分别由前宣滩、临淮关、晏公庙各渡口作第二次强渡，首先突破晏公庙，并占领梅园子、前坡子、郭府窑、曹家墙、新庄等沿河村庄，利用农舍土墙作防御工事。以轻、重机枪重叠配合，构成交叉火力网，对我猛烈射击。牟中珩师长即命三四○旅扈先梅旅长组织反击。上午12时收复新庄，午后3时又攻克前宣滩。下午4时，我军发起总攻，激战半小时，首先收复曹家墙，旋又与敌殊死搏斗，每一村落，每一塘坝，皆奋力冲杀，形成激烈的争夺战。晚8时克复郭府窑、梅园子，即向晏公庙对岸渡口攻击前进。
11日拂晓，日军后续部队2000余人，在飞机大炮掩护下，仍由晏公庙强渡。扈旅长于5时下达第二次总攻击令，敌我展开激战，杀声震天，反复肉搏，双方均伤亡惨重。我阵地多处被突破，预备队已尽数使用，难以恢复原有阵地。牟师长乃下令临淮关北岸及梅园子等处部队转移阵地，撤守沫河口、西门渡一线。经此两昼夜激战，我军伤亡士兵2000人，军官70人。
为挽救淮河一线危急形势，第五战区向津浦线南段增派援军，以确保淮河河防安全。2月10日，第五十九军张自忠部奉命立即开拔，从豫东商丘昼夜兼程赶赴淮河一线，接替一一四师防务。
同日，李宗仁下令第五十九军归第三集团军总司令于学忠指挥，令派第三十八师向蒙城、龙亢间前进，以防怀远之敌北犯。11日，三十八师即抵接胡口子、张庄以西之线，并对怀远之敌佯攻。第五战区随即又命三十八师速向怀远、涡河北岸推进；一八○师即向宿县、固镇间推进，并“速在固镇附近占领阵地，阻敌北进”。五十九军奉命后，于12日上午8时先敌一步赶到徐州以南小蚌埠津浦线两侧。与此同时，我空军派飞机12架飞临津浦线南段上空助战，于当日上午9时40分，分别对敌军占领的临淮关、蚌埠车站、淮河内船只及淮河南岸敌之密集部队实行轰炸。次日晨8时许，我机4架再次轰炸蚌埠车站。嗣后，三十八师主力占领瓦疃集、姚集、杨子店一线，同时向新集、何集派遣有力进攻部队，又以一旅进驻蒙城，掩护十三军行动；同时一八○师已占领右接三十八师左迄固镇、徐小楼之线，并向闻谭子、郭潘家方向前进。
14日，张自忠军长探明我铁路正面之敌已进至新桥、火星庙等地，怀远敌又增兵200余人、炮10门，曹老集、王庄也有部分敌军出没，而我三十一军、第七军正对上窑、定远之敌实施侧击。基于以上战况，张自忠抓住时机，立即下达了于当晚12时兵分南北两路、向日寇驻小蚌埠指挥部夹击的进攻命令，令三十八师一部为右先遣队，从苏集、胡口子之线出击驱逐当面之敌，向淮河北岸推进；一八○师一部并骑兵一排为左先遣队，从曹老集、王庄之线出击驱逐当面之敌，向淮河北岸推进；两队之战斗区域为张家园、陆家圩、胡家洼、高家胡桥头、陈家亘、瓦台子、山阳寺之线。
右先遣队三十八师方面，于15日率先向火星庙进攻。全旅官兵争先恐后，勇猛杀敌。是夜该部队凭借其在喜峰口对日作战取得的夜战经验，发挥西北军大刀片的威力，冲入敌指挥所猛砍猛杀，许多日军尚在梦中，就被我官兵用大刀结束了性命。后因第一营主攻部队被敌发觉，一时枪声大作，敌人凭借路障负隅顽抗，与我军在深夜里展开巷战。我进攻连队则在向导指引下，逐屋逐院搜杀。肉搏中，双方伤亡惨重。经两个小时的激烈争夺，三十八师终于拿下敌指挥所，仅小部分敌人突围逃走。16日，三十八师推进至淮河左岸及南山，一部占领朱家岗。从18日起，我军对涡河左岸的小街实施强攻，与敌反复争夺，至20日，我军因伤亡过半，遂退出小街，凭借朱家岗阵地与敌对峙。
左先遣队一八○师方面，于15日将新桥车站300余敌歼灭大部，敌残部退回曹老集，另一部退至简家集河右岸继续顽抗。我军跟踪追击，六七八团团部进至仁和集，第一、二营进至曹老集北端，与敌遭遇，复将日寇击退。
16日拂晓，各部推进至汤家湖、八达集、五铺之线，骑兵进至三铺、毛滩集之间，并分向太平岗、赵家圩、徐家岗各地之敌扫荡。当日，正在修理淮河铁桥企图便利援军通过的30余名日军，也被我军发现后击毙水中。
17日午时，我飞机3架再次飞临蚌埠上空投弹，炸毁车站的路轨及公路旁房屋一所，并命中中涂山敌阵地及淮河船只，使我军士气大振。次日清晨，占据小蚌埠之敌百余名利用我军修筑的工事及砖窑等设置向我发起进攻。10时又以步骑兵联合方式沿淮河北岸河堤向我游击，被我高家庵、吴家庵、徐台子一带的伏击部队击退。一八○师随即占领淮河北岸河堤阵地，黄昏后又选派精锐士兵200名组成敢死队，夜袭小蚌埠，击毙日军百余人，于次日凌晨4时完全占领小蚌埠，旋将其所有重要据地和工事悉数破坏后，在拂晓前仍退回原阵地，隔河警戒。
淮河两岸战斗白炽化之时，李宗仁又令于明光、池河陷落后撤至津浦路西侧山区休整待机的刘士毅第三十一军及周祖晃第七军采取游击战术，迅速出击淮河以南上窑、滁县、定远、凤阳、池河镇等地日军侧背，协助五十九军安全接替五十一军淮河北岸阵地，并配合五十九军作战。
2月11日，三十一军一三八师渡过高塘湖，将上窑的五六百名敌军包围，并数度冲入圩内与敌白刃相拼，歼灭上窑日军100多人。12日，一三五师一部克复武店后，又在考城附近将上窑逃窜之敌大部歼灭。日军随即从凤阳、怀远等地派兵2000余人，企图增援高塘湖方面。但三十一军一三一师早已与当地民间组织红枪会等联合，“每50名红枪会配步兵50名、步枪50支，计6000余人在凤阳一带与敌展开游击战，并曾攻入怀远古西门”，使敌人难以兼顾。已渡过淮河北岸、盘踞新桥附近，并企图乘势北上的日军，也因受到南岸我军牵制，不得已于14日抽调3000余人回援考城、上窑方向，给五十九军的全面反攻制造了机会。
16日，周祖晃第七军亦由合肥抵达老人仓、张家镇一线。17日第一七二师程树芬部向桑家涧方面进击，吸引敌由定远方面驰援的步骑兵二三百人及坦克10余辆。第一七一师一○二一团采取游击方式，于是日夜袭定远，次日拂晓又退回高塘附近，与敌周旋。19日，敌千余人由池河镇向老人仓进攻，我军为避免正面对敌作战，旋退出老人仓，另派一○二八团适时由乌家赶至敌人后背，重新占领南徐家、萧庄之线。
此时，廖磊第二十一集团军已到达合肥、舒城、八斗岭、下塘集之线，使我方在安徽境内力量更加雄厚。
在我五十九军的正面进攻及淮河南岸诸军神出鬼没的游击战袭击下，日军腹背受敌，各处兵力皆为我军牵制，不能相互照应，沿津浦线北上已不可能，后路又有被我随时切断的可能，不得不全部退至淮河南岸，沿邵伯、天长、盱眙、临淮关、怀远、三十里铺之线与淮河北岸我军形成对峙。
南线日军被迫停止进攻后，日军统帅部命令津浦线北端的板垣、矶谷师团加强攻势，于3月10日到达临城，向临沂猛攻，守军庞炳勋部伤亡极大，连电告急。为增强北线力量，第五战区即令张自忠第五十九军从宿县紧急驰援临沂，淮河北岸阵地仍交给于学忠防守。张部于当日即移交淮北防务，而后发扬连续作战精神，马不停蹄赶赴临城参加临沂保卫战。其后，南路日军第十三师团因遭受我五十一军痛击，又顾忌其侧后威胁，无力再发动新的攻势，始终保持与我军隔河对峙状态直至当年5月。至此，日军南路突击，打通津浦线的计划宣告破产。
池淮阻击战其规模虽然有限，但意义却是重大的。历时两个月的池淮阻击战，给予挟攻克南京之余威、乘势渡江北进之敌军以迎头痛击，使其付出死伤数千人的惨重代价，而仍不能跨越淮河一步。它宣告了中国军队保卫津浦线作战的初次胜利，为下一步作战创造了一个良好的开端。池淮阻击战成功地阻止了华中日军北上进攻，使之滞留于淮河南岸。
它挫败了日军互相配合、南北夹击的图谋，造成了尔后华北日军孤军南下、我军得以调集主力围歼的契机，为以后的台儿庄大捷创造了重要的条件。李宗仁在其回忆录中写道：从津浦线南北夹击徐州的敌军，“一阻于明光，再挫于临沂，三阻于滕县，最后至台儿庄决战”，将池淮阻击战视作台儿庄战役和徐州会战的重要组成部分，其战略意义是不言而喻的。