城战斗，他们连续爆破，二十二团2个营不到10分钟即突破大北门和西北门攻入城内。
入城后，敌人多次组织顽强反扑。攻击部队因准备不足，未能及时打通两面突破口取得联系。天亮后，守军以猛烈炮火卡断城内外联系，先对突入西北门的2个营疯狂连续冲击，继而又集中炮火、飞机、步兵打击攻入大北门的2个营。该两营反复拼杀顽强坚守。是夜，八师投入第二梯队，仍因力量不足难以发展，形成对峙局面。同时，九纵在城东的攻击未奏效，二纵因河水阻隔既不能攻西门又无法增援大北门。8日凌晨2时，部队向陈毅报告了战斗情况。陈毅甚为焦虑，当即派参谋长赶去八师进行处置，同时发电询问具体战况。
8月9日，五河敌人来援，被第七师击退，而更多敌人正准备向淮北运动。城内八师战士与敌拼杀竟日，血流遍地，河水因之染红，但战斗仍在僵持消耗状态。是夜，指挥部下令八师停止攻击，将全部主力撤至睢宁以西休整待机。
这次战斗，八师等部队虽浴血苦战两天两夜，毙伤俘敌3000多人，但我军亦伤亡2000余人，担架不足，机关和工作人员都参加了担架队。从山东南下时，每个连队都是一百五六十人，这一仗下来，有的连队仅剩下二三十人。八师本来是善打攻坚战的，在战士的心目中，他们总是攻必克，战必胜，这次打得心里窝囊。山野西击津浦线计划失利，士气受挫。陈毅得知后，于10月4日给八师领导写了一封信，信中说：“3个月来仗未打好，不是部队不好，不是师旅团不行，不是野战军参谋处不行，主要是我这个统帅犯了两个错误……我应以统帅身份担负一切，向指战员承认这个错误。”他坦诚自责，肯定八师“始终是很好的头等兵团，纪律为各军之冠”。八师领导读了这封信，受到极大感动与鼓舞。他们认真总结了泗县失利的教训，使城市攻坚的组织指挥、战术技术、协同配合方面得到很大提高。后来由第八师扩建的华东野战军第三纵队，成为第一等的城市攻坚部队，在洛阳、开封都取得了辉煌的战绩。