次日拂曉，敵人發現被包圍了，當即搶占有利地形，構築工事，並以2個營至4個營的兵力，在炮火掩護下，連續猛撲北麵二十團陣地，企圖奪路而逃。在緊急關頭，趙旅長立即向團的幹部進行了動員。該團奮勇反擊，打退了敵人一次又一次的突圍，陣地失而複得，最後把僅有的預備隊——團特務連用上去，就連旅的偵察連也投入了反衝擊。由西南方進攻的二十六團在打退了敵人反撲後，以炮火支援主力出擊。
下午3時，敵人傾全力做最後掙紮，猛烈地突圍，陳錫聯命令二十團、二十六團密切協同、奮力夾擊，敵人突圍的企圖被徹底粉碎了。與此同時，三縱副司令員鄭國仲率領的八旅正在張家店以東展開，九旅後續部隊也趕到了。此時，當地政府和群眾組織的1000副擔架也趕來支援，極大地鼓舞著全體指戰員的殺敵鬥誌，大家決心全殲敵人，來報答新區人民對子弟兵的愛戴和支援。
為迅速殲滅該敵，陳錫聯要求各旅針對山地、稻田的不同地形，認真區分任務，嚴密組織火力，同時命令九旅全部由西南兩麵主攻，大部炮火也集中在這裏，七旅由北麵攻擊，八旅由東、東南麵攻擊。
晚7時，部隊發起攻擊，由於攻擊勇猛，一個小時就肅清了外圍。此時，敵人依靠優勢火器，利用村沿頑抗。陳錫聯命令各旅不給敵人以喘息的機會，迅即向村內突擊，四麵八方的炮火齊向村內射擊。10日1時許，縱隊配屬九旅的化學迫擊炮，命中敵師指揮所，引燃了村內草房。風助火威，整個張家店頓時變成火海，敵陣大亂，陳錫聯命令各攻擊部隊乘勢發起總攻。九旅二十七團首先從南麵突破，七、八兩旅同時向敵猛撲，攻入村內。各部隊一麵奮勇殲敵，一麵協助群眾救火。混亂的敵人抱頭鼠竄。
戰至10日拂曉，除敵八十八師副師長張世光化裝逃跑外，其師部及六十二旅全部被殲，戰鬥勝利結束。此役共斃、傷敵副團長以下500餘人，俘敵六十二旅副旅長湯家楫以下4300餘人，繳獲戰利品甚多。當張家店敵人被圍時，敵四十六師3個團的兵力，由六安馳援，8日進至槐樹崗。陳錫聯命令二十一團發揚以少勝多、英勇頑強的精神，在敵前進道路兩側選定有利地形阻擊敵人。經持續3天的激烈戰鬥，敵前進隻不過10裏，被阻於距張家店尚有30裏的中店子地區，保障了張家店作戰的勝利。
張家店戰役，取得了“我軍在無後方依托的條件下，第一次消滅敵人一個正規旅以上兵力的重大勝利”。它對發展和鞏固皖西根據地，提高群眾的勝利信心，教育和鼓舞部隊，都有極重要的意義。正如中原軍區12日賀電所指出的：“你們此次大捷，對建設皖西根據地關係極大。”這次勝利，也標誌著陳錫聯率領三縱在皖西完成了中原局及野戰軍首長所賦予的戰略展開任務，打開了皖西鬥爭的新局麵。