2月11日，李品仙指挥第31军官兵向被日军占领的上窑地围攻，中国军队的官兵奋不顾身，冲进敌阵，与日军展开肉搏战，歼灭日军100多人。不久，廖磊率领的第21集团军到达合肥、舒城、八斗岭、下塘集一线。中国军队兵力增加。
2月13日，张自忠军长率领第59军到达淮河流域，指挥部队占领了姚集、固镇、蒙城一线阵地。张自忠是山东临清人，1914年投笔从戎，1919年被送到军官教导团深造，先后担任营长、团长、旅长、师长等职务。1933年，张自忠率军参加长城抗战，指挥部队在喜峰口与日军血战，名声大振，是一位有名的抗日将领。2月16日，日军遭到我军攻击后被迫抽调主力6000多人增援考城、上窑、池河等地时，张自忠指挥第59军乘机反攻，把日军驱逐到泥河南岸。
经过一个多月作战，南路日军先后被歼灭2000多人，损失战车百余辆，腹背都受到中国军队的威胁，处于十分不利的局面，没有力量再向北面发展，还担心后路被中国军队切断。在此情况下，日军被迫全部退回淮河南岸，与淮河北岸的中国军队隔河对峙。中国军队的上述战斗，不仅挫伤了日军的进攻锐气，也为组织徐州外围防御争取了时间。