7日拂晓，当皖南新四军各路纵队分别通过指定山岭时，即遭顽军主力部队的攻击。面对顽军的进攻，皖南新四军被迫一面自卫，一面继续向星潭进发。在星潭附近，二纵先头部队遭四○师一二○团2个营的阻击；一纵到达镑山与四○师一一八团展开激战：三纵特务团进展比较顺利，占领高岭后分路南下，与四○师一一九团激战于牛栏岭一带，将其击退。因顽军大量增援，皖南新四军会合星潭计划受挫。为避开顽军优势兵力，最后决定晚12时开始折回，经高岭向太平方向突围。三纵五团由后卫变为前卫，向高岭进发。
8日上午10时，新四军军部和二纵撤离丕岭，午后向高岭进发，误走濂岭。这时三纵五团占领高岭正与七十九师激战，于是军部折回里潭仓。晚上，得悉顽军紧缩包围圈。一四四师由茂林堵截后路，军部在里潭仓召开会议，决定抢先向高坦、茂林方向突围，这天，一纵在镑山、榔桥河地区与顽五十二师激战整日，损失很大。三纵特务团坚守牛栏岭，因寡不敌众，被迫撤往濂岭。
9日拂晓，顽军发动全线进攻。新四军北进又受包围，指战员全力激战，二纵到高坦，向茂林方向突围时，受到一四四师的堵击。战斗极其激烈，部队有被歼灭的极大可能，项英试图带小部队绕小道突围。因天快亮，派人请叶挺商计，叶挺在前线未来，临时找到袁国平等率小部队而出。叶挺亲临前线指挥作战，激战竟日，一四四师退缩茂林。一纵在流山一带与五十二师激战。下午，军部命令一纵坚守阵地，牵制五十二师与四○师，掩护军部和二、三纵突围，必要时相机突围。当晚，一纵司令部与老一团、新一团乘夜突围，后被顽军切断，一部分向东南突出重围，一部分向东流山撤退，三纵特务团撤到高坦、东流山一带。鉴于向茂林突围受阻，叶挺决定甩开茂林顽军，沿东流山麓经石井坑、大康王于泾县丁家渡之间渡过青弋江至孤峰，从铜陵、繁昌一带渡江。三纵特务团一部经章家渡向北突出重围，其余部队由于山路崎岖，不断受顽军阻击，开进速度缓慢。当经过石井坑，翻越山岭时，又遭一○八师伏击，这时四面激战甚烈，部队多被冲散，无法前进，不得不退回石井坑。
10日上午，皖南新四军各部先后到达石井坑，约有5000人。叶挺决定在石井坑构筑工事，控制制高点，休整部队，待机突围。下午2时许，项英等归队，与军部会合。叶挺、项英致电中共中央，表示“上下一致，决打到最后一人一枪”。
12日，顽军5个师进行向心合击。皖南新四军指战员在叶挺指挥下浴血苦战，坚守石井坑，待机突围。这天，中共中央作出关于新四军由叶挺、饶漱石负责领导的决定。并两次致电皖南新四军，指示“如有可能，似以突围出去分批东进或北进为有利”，“同时应注意与包围部队首长谈判”，“重庆方面，正在交涉，但你们不要指望，一切靠你们自己”。黄昏，新四军石井坑周围阵地相继失守。晚上，叶挺决定分散突围。军部向石井坑东北方向大康王一带突围，其余分两路，一路从凤村向冬青树方向、一路向茂林方向突围，其中一部分突破了顽军包围圈。
13日凌晨，新四军军部向东北方向翻过一座大山，又遭顽军重重包围，当时集中2000余人，几度冲锋，损失很大。叶挺和饶漱石商定同顽军谈判，并派军部参谋2人前往五十二师师部联系。
14日，叶挺为挽救危局，不顾个人安危，前往五十二师谈判，被扣押。此时，新四军各阵地全部失守。
17日，蒋介石以国民政府军事委员会名义发表命令和谈话，竟反诬新四军为叛军，宣布取消其番号，声称将叶挺交军事法庭审判，把第二次反共高潮推向顶峰。
揭露真相举国声讨
中国共产党对国民党顽固派制造皖南事变这一反动暴行进行了猛烈反击。中共中央认为，只有猛烈坚决的全面反攻，才能打退蒋介石的挑衅与进攻，否则不但不能团结全国人民，不能团结本党本军，而且正中蒋介石的诡计。
1月18日，中共中央发言人就皖南事变发表谈话，同时，发表《关于皖南事变的指示》，谴责国民党顽固派持十年反共成见，置民族抗战大义于不顾，在“大敌当前国难益深之际”，进行一系列反共摩擦活动和制造皖南事变的罪行，痛斥国民政府军事委员会1月17日的反动命令和谈话，中共中央指出，皖南事变“是抗战以来国共两党间，也是抗日民族统一战线内部空前的严重事变”，“歼灭皖南新四军之无耻罪行，不讨是整个阴谋计划公开暴露之一部分.仅仅是亲日派阴谋家和反共顽固派以内战代抗战，以分裂代团结全部阴谋公开实行之开端”。“皖南事变及国民党的公开处理，在全国人民及全世界公正人士面前，暴露着国民党破坏抗战破坏团结的真面目”。中共中央呼吁全国一切爱国军民同胞以民族国家命运为重，打破少数亲日分子及民族败类的内战企图和投降卖国的无耻阴谋，严整抗日阵容，坚持抗战到底。
周恩来代表中共中央在重庆同国民党顽固派进行了针锋相对的斗争。1月17日晚上，周恩来得知国民政府军事委员会发布反动命令和谈话后，立即向何应钦和国民党谈判代表张冲提出严重抗议，在电话里愤怒斥责何应钦：“你们的行动，使亲者痛，仇者快，你们作了日寇想作而作不到的事。你何应钦是中华民族的千古罪人！”当天深夜，周恩来亲笔题词：“为江南死国难者致哀！”“千古奇冤，江南一叶，同室操戈，相煎何急？！”《新华日报》社工作人员冲破国民党新闻检查机关的封锁，将题词刊登在18日《新华日报》上，在重庆广为散发，有力地控诉了国民党顽固派的血腥罪行。18日下午，叶剑英主持起草了《新四军皖南部队惨被围歼真相》文章，经周恩来审阅后，19日即用秘密传单散发，文章就“所谓新四军违反命令不受调遣的问题”，“新四军渡江路线问题”，“新四军移动时间问题”，“所谓借端要索问题”，“究竟谁打谁的问题”等痛斥了国民党顽固派对新四军的诬蔑，揭露了皖南事变的真相。
全国人民义愤填膺，愤怒声讨国民党顽固派。《新中华报》发表《抗议无法无天之罪行》的社论，朱德、彭德怀、陈毅、刘少奇等八路军、新四军将领发表通电、文章、演讲，各抗日根据地军民纷纷举行集会，揭露和抗议顽固派制造皖南事变，发动反共内战的罪行。爱国人士、民主党派、海外侨胞以及国际进步舆论也纷起谴责国民党顽固派制造内战分裂的行径，同情和支持中国共产党在皖南事变问题上的正义立场。宋庆龄、柳亚子、何香凝等在香港发起抗议，三次致书蒋介石，要蒋“悬崖勒马”，“撤销剿共部署，解决联共方案，发展各种抗日实力，保障各种抗日党派”。国民党军队中主张抗日的爱国将领也反对蒋介石制造内战。冯玉祥大骂何应钦搞阴谋，说新四军抗战有功，妇孺皆知，此次被政府消灭，政府方面实在没有办法能挽回人民的反对。英、美两国为了自身利益，对国民党顽固派制造皖南事变也不表赞赏。只有汉奸汪精卫兴高采烈，称赞蒋介石这件事做得很不错。
在中国共产党针锋相对的坚决斗争和全国人民愤怒声讨及国际舆论压力下，国民党顽固派陷入空前孤立的境地。
重建军部坚持抗战
1月20日，针对国民党顽固派1月17日的反动命令，中共中央革命军事委员会发布命令，任命陈毅为新四军代理军长，刘少奇为政治委员，张云逸为副军长，赖传殊为参谋长，邓子恢为政治部主任。同日，中共中央革命军事委员会发言人发表谈话，提出关于解决时局的十二条办法：“第一、悬崖勒马，停止挑衅；第二、取消一月十七日的反动命令，并宣布自己是完全错了；第三、惩办皖南事变的祸首何应钦、顾祝同、上官云相三人；第四、恢复叶挺自由，继续充当新四军军长；第五、交还皖南新四军全部人枪；第六、抚恤皖南新四军全部伤亡将士；第七、撤退华中的剿共军；第八、平毁西北的封锁线；第九、释放全国一切被捕的爱国政治犯；第十、废止一党专政，实行民主政治；第十一、实行三民主义，服从《总理遗嘱》第十二、逮捕各亲日派首领，交付国法审判”，表明了共产党坚持抗日民族统一战线的严正立场。
根据中共中央革命军事委员会命令，新四军新的军部于1941年1月25日在苏北盐城宣告成立，全面负责华南游击战。