來安突然出現張靈甫整編74師，波譎雲詭的兩淮戰役也隨之進入高潮。9月14日，整74師突破張愛萍第9旅防線，次日淩晨，整74師強渡運河，張震9縱不支，連電譚震林告急，譚立遣守淮各部隊中戰鬥力最強的皮定均旅趕赴運河東岸，並向敵反擊。

16日，譚震林、張鼎丞、粟裕聯電中共中央，要求中央立即命令陳毅山野南下增援。同時命皮定均炸開運河大堤，將淮陰淹為澤國。

當晚，陳毅命山野王牌--何以祥第八師（前次圍攻泗縣失利的即該師）及韋國清二縱南下淮陰增援，17日拂曉，該路共軍到達漁溝，不想，鐘紀第七軍也從來安殺到，混戰至18日拂曉，鐘紀命令第七軍退至鮑河左岸。陳毅命二縱拋棄重武器，輕裝前進，務必於當晚趕至淮陰。

韋國清二縱剛剛離開漁溝，19日淩晨，第七軍再度向漁溝發起猛攻，守軍山野第七師、第八師在沉重壓力下，向陳毅、韋國清連電告急請援，陳毅乃再命韋國清立刻回援。這一次，第七軍沒有撤退，反而修築工事，擺出就地決戰之勢，並到處懸掛巨幅標語：「7軍鋼，7軍硬，共軍不敢碰一碰！」

陳毅惱羞成怒，命各軍奮勇前進，務必全殲第七軍於漁溝，然而，漁溝各路共軍卻無一支部隊敢於率先發起總攻。山東共軍此前5萬餘人圍攻第七軍6千餘人而不克，此刻仍是5萬餘人，面對的已是該軍全軍兩萬五千餘人，共軍諸將躊躇不前，也在情理之中，呵呵。

18日晚，整七十四師盧醒58旅俘獲共軍一名排長，審訊後得悉共軍防禦詳細部署情況及當夜口令。張靈甫命令58旅174團3營換裝共軍服裝，冒充南下馳援的山野二縱，該營順利穿越共軍防區，潛入淮陰城內，19日拂曉，該營將共軍南門守軍悉數擊斃，架起迫擊炮，向城內縱深轟擊，淮陰城內外頓時大亂，共軍城南守將成鈞率第5旅率先撤退，張靈甫立即命全師向淮陰發起總攻，當日上午，74師攻入淮陰城內，與共軍9縱、5旅、13旅展開巷戰。

不久，粟裕到達淮陰，向譚震林表示其第一師、第六師要在一天之後才能到達，為保存實力免於全軍覆沒，粟裕、譚震林下令放棄淮陰，各路共軍紛紛奪路而逃。遺憾的是，張靈甫未派出搜索部隊，因而未察覺共軍已混亂不堪，錯過了一舉擊潰蘇北共軍的良機。

在漁溝，陳毅得知淮陰失守後，膽魄俱喪，20日清晨，第七軍向當面共軍發起總攻，陳毅各部大敗而逃，當日，第七軍全面佔領漁溝，並追擊陳部直至六塘河。

在淮陰，張靈甫得悉北面第七軍大勝後，方才斷定共軍已無鬥志，遂下令總攻淮安。粟裕只令陳慶先第六旅留守，其餘各部紛紛向漣水撤退。22日上午，74師攻佔淮安。至此，兩淮戰役國軍以兩個軍擊潰十萬共軍，佔領兩淮，共軍失去了華東地區最重要的後勤補給基地。

兩淮之戰後，國共雙方都對自己的相關參戰人員有所安排。整編74師獲頒三等雲麾勳章，在慶功會上，具體負責此次戰役的兵團司令李延年對中央社記者贊道：“只要有十個74師就可以統一全中國了。”，此言一經發表，全國國軍諸將領無不側目，尤其是第七軍眾將，無不憤懣不已，在他們看來，兩淮之戰，第七軍的戰功遠大于整編74師，卻未能獲得表彰。從此，軍中便悄悄流傳著：“大仗硬仗以後都讓74師去打好了，我們都是跑龍套的。”

在共軍這邊，10月4日，華中軍區司令員張鼎丞、中共華中分局書記鄧子恢、組織部部長曾山聯名給毛澤東發出了這樣一封電報：“我們對陳這幾個月在華中指揮深表不滿，陳毅自六月率山東野戰軍南下魯南、兩淮以來，四個多月裡指揮失當，重大決策失誤不斷。我們建議華中與山東野戰軍合併，軍事上由粟裕指揮。以上是我們三個人通過這幾個月來觀察，所取得的共識，本知無不言之義，直告主席及中央。是否妥當，請主席及中央決定，但望勿告陳。”

10月15日，毛澤東電令：“山野、華野兩軍集中行動，兩個指揮部亦合一，提議陳毅為司令員兼政委，粟裕為副司令員，譚震林為副政委；團結協作極為重要，在陳毅領導下，大政方針須共同決定。戰役指揮權交粟裕負責，粟裕有戰場的最終機斷權。”

兩淮戰役，國共雙方對各自將領的獎懲措施，為以後華東戰局的微妙變化埋下了伏筆。七個月後，張靈甫及其74軍在孟良崮全軍覆沒，周邊國軍無人增援；三年後，粟裕率領百萬大軍南渡，一直打到台灣海峽。