10月3日，韓德勤調集26個團，總兵力3萬余人，分3路撲向黃橋。蘇北新四軍總共只有7000人，戰斗部隊不過5000人。粟裕巧布奇陣：以黃橋為軸心。誘敵深入；首戰打戰斗力最強的獨立六旅；以3/4的兵力在黃橋以北設伏，以1/4的兵力守衛黃橋；守黃橋主力部署在東門，北門放1個班，西門、南門只派非戰斗人員警戒；粟裕督守黃橋，陳毅坐鎮黃橋西北的嚴徐莊，掌控全局。
4日凌晨，頑軍三十三師開始進攻，11時發動總攻，被我三縱擊退。14時頑獨六旅從北面接近黃橋，當頑軍全部進入我伏擊圈，葉飛一縱突然殺出，將頑軍截成5段，逐一殲滅。頑三十三師聞北方槍聲大作，判定我主力在與獨六旅作戰，遂急攻東門，一度突入我防線。三縱司令員陶勇身先士卒，揮舞馬刀，沖進敵陣，將頑軍逼出東門。
4日午夜，王必成率二縱截斷頑軍退路。5日下午新四軍對頑軍主力第八十九軍發起總攻，戰至21時，將其全殲，又乘勝占領海安、東臺。韓德勤見敗局已定，率部逃回興化。10日，新四軍蘇北指揮部先頭部隊與八路軍南下先頭部隊于白駒、劉莊間的獅子口勝利會師。陳毅賦詩一首以記之：“十年征戰幾人回，又見同儕并馬歸，江淮河漢今誰屬，紅旗十月滿天飛。”
在黃橋決戰勝利的影響下，蘇北中間勢力進一步向新四軍靠攏。10月10日，魯蘇皖邊區游擊總指揮部直屬縱隊、魯蘇戰區蘇北游擊指揮部第三縱隊聯合抗日司令部(簡稱“聯抗”)在曲塘成立，司令黃逸峰，副司令李俊民，轄4個大隊約千余人，分駐海安、曲塘、白米以北一線，成為共產黨的一支外圍軍。通、如、海、啟地區原國民黨地方武裝，紛紛表示愿意接受新四軍的領導，陳毅遂派陶勇率蘇北指揮部第三縱隊東進， 改造地方武裝，建立地方政權，擴大抗日根據地。11月15日在海安召開了蘇北臨時參政會，選出名譽議長韓國鈞，議長黃逸峰、副議長朱克靖、朱履先。16日按“三三制”原則成立了蘇北臨時行政委員會，主任管文蔚，建立了泰興等抗日民主政府。
黃橋決戰，新四軍獲全勝。這是抗戰以來華中地區規模最大的一次反頑自衛戰役的勝利。它造成了新四軍和八路軍勝利會師蘇北的局面，提升了共產黨領導的抗日武裝在蘇北的地位，基本實現了中共中央關于八路軍、新四軍協同發展華中的戰略任務，粉碎了國民黨企圖隔斷新四軍與八路軍的聯系，驅逐新四軍、八路軍出華中地區的陰謀。黃橋決戰的勝利，還為華中抗日根據地奠定了基礎，中共中央書記處指出：黃橋決戰以后，“蘇北大部為我占領并聯成一片，此為華中最大一塊根據地，對全國有絕大意義。