下午3點(diǎn)，日軍集中炮火猛擊樊塘，將粟裕觀察所所在的民房屋頂打穿。日軍炮擊前，粟裕和隨同人員已進(jìn)防炮洞。敵炮擊后，從西、南、北三面攻擊樊塘。

在敵猛烈進(jìn)攻情況下，為安全起見，呂平請(qǐng)粟裕回水西村，粟裕沒有走。粟裕鎮(zhèn)守樊塘，協(xié)助劉振太指揮各連利用殘破工事，頑強(qiáng)阻擊，對(duì)敵進(jìn)行短促的反沖擊，多次將敵擊退。打到下午4點(diǎn)，粟裕命二營(yíng)撤出樊塘，轉(zhuǎn)移到水西村。

水西村西有條小河，河上有座三孔木橋。這座橋是從關(guān)帝廟和樊塘方向進(jìn)入水西的必經(jīng)之路。二營(yíng)進(jìn)入水西村后，粟裕命令偵察科長(zhǎng)派人將大木橋橋柱鋸斷倒在河中，將橋板搬到河?xùn)|岸。又利用戰(zhàn)斗間隙在村頭召開火線動(dòng)員會(huì)，動(dòng)員政工、后勤人員也拿起武器投入戰(zhàn)斗。

下午4點(diǎn)半，日軍開始猛攻水西村，被符義山的三營(yíng)、指揮部的警衛(wèi)連及機(jī)關(guān)人員（關(guān)于警衛(wèi)連和機(jī)關(guān)人員組成的參戰(zhàn)部隊(duì)，時(shí)任指揮部參謀惲前程的回憶里沒有提起，但另一參謀馬蘇政的回憶里有）阻于壩河西岸。日軍兩次組織強(qiáng)渡，都被擊退。

在日軍進(jìn)攻中，粟裕不斷將戰(zhàn)情報(bào)至陳毅。陳毅接到粟裕報(bào)告后指出：日軍日夜連續(xù)進(jìn)攻，遭我軍頑強(qiáng)阻擊，進(jìn)占緩慢，傷亡很多，十分疲憊。我軍可以趁敵無(wú)力進(jìn)攻之際，組織部隊(duì)對(duì)敵出擊。粟裕遂決定黃昏前對(duì)敵反擊。

粟裕令符義山營(yíng)堅(jiān)守水西村、王家橋三線陣地；調(diào)駐守潘家、儲(chǔ)莊一線防御東面之?dāng)车慕虒?dǎo)大隊(duì)迂回到樊塘、安中里之間，對(duì)樊塘之?dāng)硞?cè)背攻擊，命劉振太營(yíng)隨教導(dǎo)大隊(duì)后跟進(jìn)。特務(wù)營(yíng)李德安率一個(gè)連，隱蔽運(yùn)動(dòng)到安中里大樹林東頭對(duì)日軍實(shí)施佯攻。

下午5點(diǎn)，教導(dǎo)大隊(duì)、特務(wù)營(yíng)抵達(dá)攻擊位置對(duì)日軍發(fā)起攻擊。日軍腹背受敵，倉(cāng)促應(yīng)戰(zhàn)，招架不住，進(jìn)攻水西之?dāng)澈蟪分涟仓欣?。教?dǎo)大隊(duì)和二營(yíng)跟蹤追擊，到安中里東頭遭敵阻擊，與敵對(duì)峙。

這時(shí)天色已黑，粟裕正打算集中兵力攻殲安中里之?dāng)硶r(shí)，日軍在晚上9點(diǎn)左右扛著幾十具尸體撤出安中里向南渡鎮(zhèn)逃竄。日軍逃竄前放火燒了部分村莊。粟裕命各部乘勝追擊，收復(fù)樊塘、關(guān)帝廟、安中里、東杜家沖等地，撲滅了大火，抓了兩個(gè)掉隊(duì)的日軍傷兵。

戰(zhàn)后查明，此次進(jìn)攻水西的日軍這個(gè)大隊(duì)有五個(gè)中隊(duì)，其中一個(gè)九二步兵炮中隊(duì)，一個(gè)重機(jī)槍中隊(duì)，千余人。我方出動(dòng)的是江抗二團(tuán)兩個(gè)營(yíng)，一個(gè)特務(wù)營(yíng)，一個(gè)教導(dǎo)大隊(duì)，江南指揮部一個(gè)警衛(wèi)連，還有一些機(jī)關(guān)工作人員，兵力也是千余人。

粟裕對(duì)日作戰(zhàn)在兵力上向來(lái)以眾擊寡。水西保衛(wèi)戰(zhàn)是粟裕首次在敵我兵力相當(dāng)?shù)那闆r下指揮陣地戰(zhàn)、巷戰(zhàn)。新四軍官兵依仗工事和地形與敵連續(xù)作戰(zhàn)16小時(shí)，以陣亡8人、傷42人的代價(jià)斃傷日軍200余人，粉碎了敵人襲殲江南指揮部的陰謀。

這也是粟裕與日十三軍獨(dú)立第十二混成旅團(tuán)的第一次直接交手。此次交手顯示獨(dú)立第十二混成旅團(tuán)雖然在裝備上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但在戰(zhàn)術(shù)上并無(wú)出彩之處，倒是粟裕率領(lǐng)下的新四軍官兵在縱深梯次上的兵力配備及頑強(qiáng)作戰(zhàn)的精神完全壓倒了日軍。

日軍對(duì)江南指揮部的襲擊無(wú)功而返，但在溧陽(yáng)、郎溪等地因國(guó)民黨守軍的不抵抗，日軍僅用三天進(jìn)占了溧陽(yáng)、郎溪、山丫橋和宣（城）長(zhǎng)（興）公路以北廣大農(nóng)村地區(qū)。