李宗仁為阻擋南京方向的日軍，首先命自己的桂系部隊第31軍部署在滁州、明光一線。然而，第31軍雖拼盡全力與日軍激戰(zhàn)一個多月，終因裝備和兵力懸殊被迫后撤。眼見日軍主力即將突破淮河，關(guān)鍵時刻，于學(xué)忠率部抵達戰(zhàn)場，需特別說明的是，于學(xué)忠雖是山東蓬萊人，但其麾下的第51軍卻是貨真價實的東北軍。

當(dāng)時東北軍的爭議較大，主因是“九一八”事變中執(zhí)行不抵抗政策帶來的負(fù)面影響。東三省淪陷，東北官兵無家可歸，還要承受千夫所指，因此這一時期的東北軍上下都憋著一股氣。

于學(xué)忠原本負(fù)責(zé)五河至蚌埠地區(qū)的防御，其部抵達防區(qū)后立即著手修筑工事。未料尚未準(zhǔn)備就緒，日軍先頭部隊便已逼近。一時間，這群東北軍舊恨翻涌，當(dāng)即擺開陣勢迎戰(zhàn)。

此前南京方向的日軍第十三師團起初因輕敵冒進，遭桂軍痛擊；但此一時彼一時，如今日軍以重武器開道，戰(zhàn)斗強度驟增。

第51軍剛將臨淮關(guān)方向的日軍先頭部隊擊退，蚌埠方向、淮河大橋一帶的日軍又發(fā)起渡河行動。于學(xué)忠急調(diào)兵力增援，待蚌埠方向暫穩(wěn)，西邊日軍竟已突破淮河，占領(lǐng)懷遠(yuǎn)并逼近渦河。第51軍只得再次分兵，趕赴懷遠(yuǎn)、渦河布防。

1938年2月8日，日軍出動飛機轟炸小蚌埠陣地，隨后千余步兵在炮火掩護下強渡淮河。第51軍第113師第337旅全體官兵奮勇抵抗，兩度擊退日軍。日軍正面受挫，轉(zhuǎn)而在夜間偷襲，并成功占據(jù)小蚌埠。雙方圍繞該陣地展開血腥拉鋸。

當(dāng)夜，第113師師長周先烈命第674團實施反擊。凌晨1時，小蚌埠陣地失而復(fù)得。10日拂曉，日軍再度反撲，第674團傷亡過半，陣地復(fù)失。于學(xué)忠聞訊后親臨一線指揮，由第339旅組建的敢死隊突入小蚌埠，與日軍展開白刃戰(zhàn)。這場慘烈搏殺持續(xù)數(shù)小時，日軍終被擊退。

與此同時，臨淮關(guān)方向數(shù)千日軍強渡淮河，攻占數(shù)座村莊。第114師師長立即率部反攻，成功收復(fù)失地。

11日，戰(zhàn)事進入最慘烈階段。久攻不下的日軍惱羞成怒，飛機、大炮、坦克輪番轟擊，第51軍多處防線被突破。盡管連續(xù)高強度作戰(zhàn)已令部隊極度疲憊，東北軍仍浴血奮戰(zhàn)。小蚌埠陣地五度易手，最終仍告失守。第51軍已傾盡全力，東北官兵亦如此。

眼見陣地難保，于學(xué)忠召集全體指揮官訓(xùn)話：“東北淪喪之恥，深烙我輩心中。今日唯有一戰(zhàn)到底，縱使全軍覆沒，亦要讓日軍付出血的代價！”

13日，第51軍集結(jié)殘部全線決死反擊，于學(xué)忠與所有軍官均奔赴前線。小蚌埠鎮(zhèn)的拉鋸戰(zhàn)持續(xù)8小時，戰(zhàn)局陷入膠著。臨淮關(guān)防線的第114師雖付出兩千余人傷亡的代價奪回部分陣地，但隨著日軍后續(xù)部隊抵達，淮河沿岸多處陣地再告失守。難道淮河這道天塹，真的要落入敵手？

千鈞一發(fā)之際，一支與東北軍境遇相似的援軍星夜馳援，張自忠率部趕到。