告捷的流星此起彼伏地竄上夜空。不到1個小時，1000多名戰士次第攻入市鎮，向街心發展。二連泅渡了兩道兩丈多寬的外壕，突破圍牆，在偽軍尚未來得及占領碉堡時，就將其大部殲滅。四連從西南角突破圍牆後，越過敵火力封鎖，在牆上開洞，迅速打進警察局。偽軍猝不及防，全部被俘。六連泅水渡壕時，被偽軍哨兵發現，前衛班奮勇前進，活捉哨兵，先後占領兩個碉堡，隨即向縱深發展，躍過第二道圍牆，攻擊東南碉堡。
5日上午10時，偽軍補充大隊駐守的兩個碉堡，被我軍七團攻占。我軍衝進屋內進行白刃戰，全殲守敵，俘虜偽大隊副以下80餘人。11時，偽軍一個中隊全部投降。
車橋鎮上硝煙正濃，三師參謀長洪學智率一個騎兵排，來到葉飛的指揮部，帶來了七旅部隊攻克朱圩子的捷報，共殲日偽軍300餘人。三師部隊的策應，保障了葉飛部北麵側後的安全。指揮攻堅戰的三旅旅長陶勇陪同洪學智進入車橋鎮裏，他仔細地觀察了敵人防禦體係，稱讚攻堅部隊的勇猛、靈活。
正當我攻堅部隊圍殲憑堅固守的日軍之際，車橋西北的打援戰鬥也已打響，打援地點選在蘆家灘一帶。下午4時，敵人增援部隊乘7輛大卡車進至周莊，與我阻擊部隊打響。敵人的火炮、機槍、擲彈筒一起展開，火力非常猛烈，然而3次總攻均被打退。葉飛從車輛與裝載量判斷，估計日軍有240名左右。
時至黃昏，風沙彌漫，暮色渾暗。車橋攻堅戰仍在十分激烈地進行。守敵得知援兵到來，拚死頑抗，固守待援。敵人從5日中午發出第一批援軍起，至黃昏時第5批援軍也已經出發，情況萬分緊急。
晚7時許，敵又集結主力猛攻，企圖突破我正麵陣地，均被我軍擊退。葉飛命令各阻擊部隊分頭出擊，將敵長隊截為數段，充分發揮我軍善於野戰的特長，在敵援軍組織進攻之前下手，將其殺傷。我軍愈戰愈勇，敵我雙方，一層夾一層，展開殊死搏鬥。由一團二營和三分區特務營組成的突擊部隊猶如猛虎下山，分成4個箭頭撲向日軍，和敵人展開白刃戰。敵援軍被打得焦頭爛額，慌忙退入韓莊一帶。葉飛命令阻擊部隊不能停留，不能給敵以喘息之機，要不停地攻擊在韓莊一線的援軍殘部，同時迅速解決車橋之殘敵。
晚10時許，三營俘虜的日軍軍官中，有一名身負重傷而又狂呼亂叫的家夥，身掛銀鞘指揮刀，其銀鞘上鑲有紅紅綠綠的寶石，據說是天皇所賜之寶刀。戰士們把他抬到包紮所時，已經死了。經俘虜辨認：這個軍官就是日軍六十五師團五十三旅團六十六大隊隊長三澤大佐。
激戰至6日拂曉，敵援軍全部被殲，寶應城以南的日軍全部龜縮到據點裏了。這次戰役，包括打援在內，共殲日軍500餘名，偽軍600餘名，繳獲大量武器裝備。3月7日，日軍出動7架飛機對車橋以西地區狂轟濫炸，以掩護車橋周圍的日偽軍撤退。而我軍卻乘勝出擊，相繼收複曹甸、涇口、塔兒頭、張家橋等地，使淮安、寶應以東縱橫數百裏地區全部獲得解放，蘇中、蘇北、淮北、淮南4大根據地連成了一片。
車橋戰役以輝煌勝利向全國人民告捷。第十八集團軍總政治部宣傳部在《抗戰八年來八路軍新四軍》一書中曾經指出：“在抗戰史上，這是1944年以前，在一次戰役中生俘日軍最多的一次。”
蘆家灘打援部隊將俘獲的日軍官兵陸續押送到師指揮所，遠道而來的居民和戰士們圍看戰俘，歡快地議論著。敵軍工作部部長陳超寰說，戰俘們驚魂初定，感慨萬千。日軍炮兵中尉山本一山說：“這次戰鬥失敗，我們犯了輕視新四軍的錯誤。”一等兵水野正一伸著大拇指說：“我佩服新四軍作戰巧妙，驚歎新四軍士兵攻擊精神旺盛。”伍長石田光夫感慨地說：“我現在清楚知道了，日本兵戰鬥意誌，完完全全比新四軍低下。”他們淒然喟歎：“皇軍日暮途窮了！”
第2天，新聞台收到了延安新華社廣播“蘇北新四軍大捷，收複車橋”的消息，讚揚我新四軍一師“以雄厚兵力”打了一個“大殲滅戰”。第3天又詳細報道了車橋戰役的經過。
車橋戰役結束後，粟裕與陳丕顯談起這次戰役時說：“你說的儒將葉飛，這次車橋戰役立了第一功。”陳丕顯聽了，會心地笑了。