下午3點，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防炮洞。敵炮擊后，從西、南、北三面攻擊樊塘。

在敵猛烈進攻情況下，為安全起見，呂平請粟裕回水西村，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，頑強阻擊，對敵進行短促的反沖擊，多次將敵擊退。打到下午4點，粟裕命二營撤出樊塘，轉(zhuǎn)移到水西村。

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

下午4點半，日軍開始猛攻水西村，被符義山的三營、指揮部的警衛(wèi)連及機關人員（關于警衛(wèi)連和機關人員組成的參戰(zhàn)部隊，時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。日軍兩次組織強渡，都被擊退。

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

粟裕令符義山營堅守水西村、王家橋三線陣地；調(diào)駐守潘家、儲莊一線防御東面之敵的教導大隊迂回到樊塘、安中里之間，對樊塘之敵側(cè)背攻擊，命劉振太營隨教導大隊后跟進。特務營李德安率一個連，隱蔽運動到安中里大樹林東頭對日軍實施佯攻。

下午5點，教導大隊、特務營抵達攻擊位置對日軍發(fā)起攻擊。日軍腹背受敵，倉促應戰(zhàn)，招架不住，進攻水西之敵后撤至安中里。教導大隊和二營跟蹤追擊，到安中里東頭遭敵阻擊，與敵對峙。

這時天色已黑，粟裕正打算集中兵力攻殲安中里之敵時，日軍在晚上9點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，收復樊塘、關帝廟、安中里、東杜家沖等地，撲滅了大火，抓了兩個掉隊的日軍傷兵。

戰(zhàn)后查明，此次進攻水西的日軍這個大隊有五個中隊，其中一個九二步兵炮中隊，一個重機槍中隊，千余人。我方出動的是江抗二團兩個營，一個特務營，一個教導大隊，江南指揮部一個警衛(wèi)連，還有一些機關工作人員，兵力也是千余人。

粟裕對日作戰(zhàn)在兵力上向來以眾擊寡。水西保衛(wèi)戰(zhàn)是粟裕首次在敵我兵力相當?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，以陣亡8人、傷42人的代價斃傷日軍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立第十二混成旅團的第一次直接交手。此次交手顯示獨立第十二混成旅團雖然在裝備上占據(jù)優(yōu)勢，但在戰(zhàn)術上并無出彩之處，倒是粟裕率領下的新四軍官兵在縱深梯次上的兵力配備及頑強作戰(zhàn)的精神完全壓倒了日軍。

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