在明光、池河一线艰难的突破了桂军的阻击后，日军终于继续上路了。13师团兵分三路，2月1日攻占临淮关，2日攻占蚌埠、凤阳和定远，抵达了淮河南岸，淮河大血战即将开启。

当日军在池河与桂军交战的时候，李宗仁就把51军从砀山调往淮河，51军是东北军，军长于学忠，所部下辖周光烈的113师和牟中珩114师。2月4日，51军抵达淮河，随后立即在怀远到五河100多公里的战线上抢修工事，严阵以待。他们想到一枪不放就丢失东北家乡流亡关内的耻辱，发誓誓死抵抗，用鬼子的血洗刷过去的耻辱。

51军军长于学忠

2月3日，日军13师团26旅团，出动两个大队2000多人在蚌埠以东发起渡河作战，遭到51军114师的顽强阻击，日军的登陆被击退，丢下400多具尸体。但另一部分的日军成功渡河，占领怀远、上窑。51军改变部署，将军指挥部设在固镇，113师主力集中在小蚌埠到涡河一带，114防守左翼临淮关至西门。之后几天，日军一边准备船只，一边发起试探性进攻，都被51军打退。

2月8日，日军发起了总攻，集中兵力攻击河北岸的小蚌埠，这里河面狭窄便于渡河。日军的进攻可谓千篇一律，首先出动24架飞机轮番轰炸小蚌埠，又用火炮猛轰对岸中国军队阵地，随后数千日军乘坐汽艇和木船向对岸攻来，51军奋起反击，淮河被双方的鲜血染红了，日军的两次渡河均被打退。到夜里11时，日军登上了北岸并突破了小蚌埠阵地，113师立即反击，东北军战士们高唱着《义勇军进行曲》向日军发起白刃冲锋，次日凌晨将日军驱逐出小蚌埠，上岸的300多日军被全部歼灭，113师也付出了巨大的牺牲。

小蚌埠渡河失败后，日军又把矛头转向了114师防守的临淮关宴公庙，3000多日军突破了晏公庙阵地和多个村庄。关键时刻，114师师长亲自上一线督战，与日军血战一整天，在付出2000多人伤亡后，终于将日军赶了回去。

2月11日，日军13师团几乎是倾巢出动，再次渡河进攻小蚌埠，在十多架飞机和几十门大炮的火力狂轰滥炸下，51军工事工事大部分被摧毁。日军把沙袋放置于船前头，架好机枪，一边渡河一边火力压制。终于大量的日军上了岸，51军的战士们死守不退，子弹打光了，就上刺刀肉搏，阵地换边四五次，防守的673团和674团几乎全部打光，许多战士都是高唱着《义勇军进行曲》向日军发起最后的冲锋。战士们虽然英勇作战，但终因为实力差距过大弹尽粮绝，多处阵地被突破，部队伤亡惨重，不得不撤退转移至新马桥、何集一线，小蚌埠被日军占领。但东北军的战士们用鲜血和生命向全体中国人证明了他们没有不抵抗，洗刷了过去的耻辱。

就在这时，另一支援军到了，这就是张自忠将军的59军。13日，59军急行军赶到固镇，接替51军防线，张自忠指挥38师防守固镇到杨店子一线，180师防守杨店子到南回小楼一线。

此时，张自忠将军跟东北军一样，同样期待着在战场上一雪前耻。在卢沟桥事变后，华北局势异常紧张，为了给29军撤退争取时间，张自忠奉宋哲元的命令留在北平与日军谈判，还在日军的包围中当了几天的北平市长，这么做是要背上汉奸的罪名的。但张自忠为了大局，放弃了个人的荣誉，接受了这个任务，在一片误解和骂声中忍辱负重与日本人周旋。后来他冒险逃出回到南京，却被蒋介石亲自下令查办，社会主流舆论给要求处决张自忠，他的家也被群众包围，大门上被写下“此木何不幸，屈做汉奸门”的侮辱性语句。

但好在西北军的主要人物冯玉祥、宋哲元等人纷纷上书为张将军求情。李宗仁本人也和西北军有交集，了解张将军的为人。因此，在徐州会战前夕，李宗仁向蒋介石建议让张将军回部队带兵，蒋介石同意了，这样李宗仁得到了一员猛将。此时，张自忠将军已经抱定了必死的决心，只有拼死作战，才能洗刷干净他的冤枉。

59军军长，抗日英烈，民族英雄张自忠将军

14日天刚亮，59军就主动向日军进攻，到下午，180师连续攻克小蚌埠外围的多个日军据点，并包围了小蚌埠。此时日军已经在小蚌埠修筑了完善的防御工事。张将军与诸将领商议后，决定采取夜袭的方式，他亲自前往一线与战士们一同作战，战士们大受鼓舞，决心给日军迎头痛击，洗刷自己将军的汉奸耻辱。

次日夜，38师一部攻击淮河大堤上的日军，并抽调精锐士兵组成敢死队袭击小蚌埠，西北军的战士很擅长夜战，连续打掉日军多个火力点。反应过来的日军也利用房屋和碉堡顽抗，59军的机枪手爬上屋顶，与日军对射火力压制，并向日军防守的院子甩手榴弹，日军逃出来，西北军战士就用他们最擅长的大刀与日军肉搏，鬼子的头纷纷落地，就连指挥部也被攻占。到16日凌晨4时，59军夺回了小蚌埠，歼敌数百人，缴枪300支，马10匹。战后，李宗仁向全战区通报嘉奖59军，张将军回到部队的第一战就取得了胜利，也算是洗刷耻辱扬眉吐气了。

之后几天，59军和日军在淮河边持续拉锯，38师夺回朱家港，180师夺回新桥车站，随后又向太平岗、赵家坪的日军发起攻击。而在敌后，中国军队的游击部队也在持续打击日军后方，第7、31、51军多次袭击日军侧背的定远、凤阳等地，日军腹背受敌，不得不撤退回淮河南岸，59军趁势反攻收复了淮河以北的全部阵地，双方在淮河两岸形成对峙。

池淮阻击战历时近两个月，日军13师团伤亡3千多人，最终被阻挡在淮河南岸无法继续前进，这是抗战爆发后日军第一次止步，也标志着日军南北夹击徐州的计划彻底破产，这样第五战区便可专心的应对北路日军，对台儿庄的胜利创造了有利条件。