車橋鎮駐紮着日軍1個小隊，約40人，僞軍一個大隊約500人；敵人在鎮子上建有53座碉堡，構成密集的火力網；以車橋為中心，外圍還有十幾個堅固的據點。
車橋戰役之前，粟裕經過長期醞釀、深入調查、周密策劃，制訂了一個詳細的戰役計劃。再加上蘇中主力部隊已達到20個團，3萬多人，士氣正旺。隻要指揮得當，車橋戰役的勝利是有很大的把握。
粟裕最後确定的作戰計劃是：以7團負責主攻車橋；1團、三分區業務營、泰州獨立團，擔任兩淮方向的警戒；52團、江都獨立團、高郵獨立團各一營，擔任對淮安、曹甸、寶應方向警戒；以教導團1營、四分區特務團及炮兵大隊組成總預備隊。
1944年3月3日下午，擔任主攻的7團分南北兩路向車橋開進。北部部隊在團長彭德清的率領下于5日淩晨1點50分之前到達車橋以北的攻擊位置。南路由副團長張雲龍率領也于北部部隊同時間之前，到達車橋之西南。
就在一切按計劃進行時，粟裕突然收到一份情報：日軍百餘人、僞軍千餘人向安豐據點增兵，有向東“掃蕩”的态勢；南面海安的敵人一部進占了李堡，也有向根據地“掃蕩”的模樣。
粟裕準備将計就計，在車橋戰役發起前來個聲東擊西，吸引敵人的注意力，掩護車橋戰役的突然性。粟裕派管文蔚率師直屬機關一部分向北移，自己率另一部分向南轉移，裝出南北應擊敵人“掃蕩”部隊的假象。
3月5日深夜，7團南北兩路按原計劃發起對車橋的進攻。新四軍突然發起襲擊，進展很順利，僅20分鐘就突破圍牆，攻下10餘座碉堡。占領了鎮内的全部街道，将日、僞軍分割包圍。
經過大半天的戰鬥，新四軍全殲了鎮内的僞軍，隻剩下日軍的工事之中的碉堡。下午3點，7團開始總攻日軍的碉堡。
就在車橋鎮内的戰鬥激烈的進行時，外圍阻擊打援的戰鬥也開始了。
剛過午後，駐曹甸、塔爾頭日僞軍百餘人最先出動，行進到大施河，遭到新四軍埋設的地雷，與新四軍的警戒部隊稍一接觸，就退了回去。
下午3時，淮陰、漣水、淮安等地的日軍，糾合僞軍700餘人，分批往淮安集結。第一批240餘名日軍乘坐7輛汽車，行進到周莊、蘆家灘，進入新四軍的伏擊陣地。
一團、特務營和泰州獨立團猛烈開火，迫使敵人進入預設的地雷陣地，當即炸死60多個敵人。
第二批、第三批增援日軍各約百餘人于下午4時、5時30分分别進入韓莊，與第一批殘敵會合，當晚向新四軍陣地進犯。
一團、特務營和泰州獨立團的戰士們從敵人的側背奮勇殺出，與日軍展開白刃戰，刺死敵人30餘名，擊斃華北派遣軍第62師團七十二旅團三澤大隊長。
敵人傷亡慘重，向韓莊東北方向突圍，在蘆葦蕩邊，被新四軍分割成三段，大部被殲滅。
6日淩晨3時左右，敵人的第四批增援部隊約120人，乘兩輛小車進入到小王莊、韓莊，與之前的殘敵會合。
7日，車橋殘敵在援軍的接應下狼狽逃竄，早已準備好的寶應縣40多個鄉的民兵3萬餘人，迅速進入車橋鎮，平毀工事，拆除圍牆、碉堡。
曹甸、泾口、塔爾頭、張橋的日僞軍如驚弓之鳥，退守淮安。12日，蘇中新四軍收複直港、陸家莊等，13日又收複周莊。
車橋戰役共殲滅日軍460餘人，生俘24人，殲滅僞軍500餘人，摧毀碉堡50餘座。
車橋戰役是攻堅與打援的雙重勝利，通過此戰打通了蘇中與蘇北、淮南、淮北戰略區的聯系，也是華中抗戰史上對日軍震動最大的一次攻勢。
在戰役中被俘的日軍中尉山本一三說：這大概是你們新四軍在江蘇省和日軍作戰最大的一次勝利吧。
山本一三對粟裕透出了敬畏的聲色，連聲說道：你們的粟裕了不起！了不起！