10月3日，韩德勤调集26个团，总兵力3万余人，分3路扑向黄桥。苏北新四军总共只有7000人，战斗部队不过5000人。粟裕巧布奇阵：以黄桥为轴心。诱敌深入；首战打战斗力最强的独立六旅；以3/4的兵力在黄桥以北设伏，以1/4的兵力守卫黄桥；守黄桥主力部署在东门，北门放1个班，西门、南门只派非战斗人员警戒；粟裕督守黄桥，陈毅坐镇黄桥西北的严徐庄，掌控全局。

    4日凌晨，顽军三十三师开始进攻，11时发动总攻，被我三纵击退。14时顽独六旅从北面接近黄桥，当顽军全部进入我伏击圈，叶飞一纵突然杀出，将顽军截成5段，逐一歼灭。顽三十三师闻北方枪声大作，判定我主力在与独六旅作战，遂急攻东门，一度突入我防线。三纵司令员陶勇身先士卒，挥舞马刀，冲进敌阵，将顽军逼出东门。
    4日午夜，王必成率二纵截断顽军退路。5日下午新四军对顽军主力第八十九军发起总攻，战至21时，将其全歼，又乘胜占领海安、东台。韩德勤见败局已定，率部逃回兴化。10日，新四军苏北指挥部先头部队与八路军南下先头部队于白驹、刘庄间的狮子口胜利会师。陈毅赋诗一首以记之：“十年征战几人回，又见同侪并马归，江淮河汉今谁属，红旗十月满天飞。”

    在黄桥决战胜利的影响下，苏北中间势力进一步向新四军靠拢。10月10日，鲁苏皖边区游击总指挥部直属纵队、鲁苏战区苏北游击指挥部第三纵队联合抗日司令部(简称“联抗”)在曲塘成立，司令黄逸峰，副司令李俊民，辖4个大队约千余人，分驻海安、曲塘、白米以北一线，成为共产党的一支外围军。通、如、海、启地区原国民党地方武装，纷纷表示愿意接受新四军的领导，陈毅遂派陶勇率苏北指挥部第三纵队东进， 改造地方武装，建立地方政权，扩大抗日根据地。11月15日在海安召开了苏北临时参政会，选出名誉议长韩国钧，议长黄逸峰、副议长朱克靖、朱履先。16日按“三三制”原则成立了苏北临时行政委员会，主任管文蔚，建立了泰兴等抗日民主政府。
    黄桥决战，新四军获全胜。这是抗战以来华中地区规模最大的一次反顽自卫战役的胜利。它造成了新四军和八路军胜利会师苏北的局面，提升了共产党领导的抗日武装在苏北的地位，基本实现了中共中央关于八路军、新四军协同发展华中的战略任务，粉碎了国民党企图隔断新四军与八路军的联系，驱逐新四军、八路军出华中地区的阴谋。黄桥决战的胜利，还为华中抗日根据地奠定了基础，中共中央书记处指出：黄桥决战以后，“苏北大部为我占领并联成一片，此为华中最大一块根据地，对全国有绝大意义。