8日凌晨，叶挺军长亲自指挥新四军各部，攻打收缩的敌军。
一时间，敌我双方战斗呈胶着状态，敌军进攻，新四军后退，待敌军攻击无果而后退，新四军则展开进攻。
如此反复，日伪军始终不能捕捉到新四军主力，消耗越来越大，不得已，只能放弃攻占云岭的打算，把攻击目标改为占领泾县县城。
叶挺军长审时度势，指示第一支队副司令员兼老一团团长傅秋涛，让部队在大、小岭一带放开一个口子，迫使敌人撤退，然后我军乘胜追击。
果然，日伪军在飞机和炮火掩护下改道向东，分3路向大岭、小岭方向突围，倚仗火力优势掩护，缓慢前行。
大岭、小岭山山相接，岭岭相连，到处是山冲、山头，原为国民党第五十二师防区，但五十二师已经撤离。
新四军追着日伪军，不断开火，打得敌人是只有招架之功，而无还手之力。日伪军被迫趁夜色越过双岭坑。
日伪军得以逃出山沟，向枫坑集（今枫坑村）逃窜（向南），企图寻渡口渡过青弋江，再逃往泾县县城。
等候敌人的我新、老一团和工兵连在枫坑四周山上不断截击日伪军，继续杀伤其有生力量。
日伪军窜到枫坑集后，一面纵火焚烧镇上的民居，一面赶渡青弋江。
由于国民党第五十二师早已撤防，日伪军得以渡江，上午先后到达井堪王、岩潭洲、沙河里等村落，然后又兵分两路。
一路由马骡子岗，经上东山、五里岗、向官塘推进；一路沿上访渡口，经张家竹园，过赏溪桥窜向泾县县城。
当时，驻泾县的国民党第五十二师一部、第六区专署、国民党泾县政府等机关已经撤离县城，城内居民大部分也转移，县城被敌人不战而占。
日伪军入城后放火焚烧县政府与东街、南街商店铺面及王姓大宗祠、左姓八甲宗祠等200多间房屋，大肆抢掠财物。
叶挺军长率指挥所和军部特务营赶至泾县城外，一面派员联络撤至县城外几十里的摇丝坑的国民党第五十二师一部，一面观察敌情。
叶挺决定趁敌人入城立足未稳之机，立即发起攻击。
叶挺命令傅秋涛率老一团一营攻打泾县南门，老一团副参谋长张铚秀率二营攻打泾县东门，三营和特务营穿插往赤滩方向阻击可能东逃的日军。
叶挺向国民党第三战区长官部要求驻泾县周围的国军紧急配合新四军围歼进犯泾县县城的日军。
第三战区长官部接到叶挺的战报后，紧急向驻宁国县的国民党第四十师、第一〇八师和驻太平县的新七师、驻青阳县的第一四四师以及驻南陵县城郊的第五十二师1个团发出调令，驰援泾县的新四军作战。
9日晨，我老一团在老三团1个营支援下，冒着敌机的轰炸扫射，强攻泾县县城南关、东关。
日军终不支，在县城南城门放火，从北城门撤逃。
我军随即尾追出城之敌。
日伪军占领泾县县城尚未站稳脚，即被新四军收复，极大地鼓舞了皖南民众！
奉调驰援新四军的国民党军分别在白塔寺山、高岭、岩寺山、马鞍山、西峰山、天官山、狮子山、白虎山等地布防。
新四军则在郑家祠堂设前线指挥所，叶挺军长亲自指挥部队在敌后追击，形成对日伪军前堵后追的态势。
逃出泾县城的日伪军，一路驻幕山，另一路驻画眉岭、官塘口。
9日，日伪军急于渡江，一部越过箬帽山、桐山冲，窜至桑坑，遭到埋伏于天官山的国民党第五十二师1个团伏击，无法前进。
而驻画眉岭、官塘口的与驻幕山的日伪军会合后，沿泾宣公路继续东窜，遭到据守西峰山的国民党第五十二师另1个团阻击，亦无法前进，而退转赤滩、罗家冲。
此时，新四军追击部队和国民党堵截部队配合，将日伪军一部2000余人围于泾县县城东约10里处的双坑。
东撤途中的日伪军沿泾县-宣城公路逃窜，既有国民党第五十二、第一〇八、第四十师等部截击、侧击，又有新四军、国民党新七师追堵。
沿途日伪军数次企图抢占制高点，均遭痛击，只能从双坑继续向东窜至琴溪，然后折向北往赤滩，寻渡口抢渡青弋江。
日机从芜湖频繁出动，以掩护日伪军残部东撤。当夜，撤至琴溪的日伪军连夜焚尸，为渡青弋江做准备。
还在9日，在汀潭东北阻击日伪军的新四军第三支队一部，由军参谋长周子昆指挥，趁日伪军后撤之机，攻占了南陵城。
10日（农历九月初十）天亮后，为解救日伪军困境，日机从芜湖出动数十架次，轮番轰炸泾县县城及以东的双坑、琴溪、赤滩、马头一带，以掩护日伪军残部渡江往宣城方向逃窜。
日伪军先头部队进至赤滩旁的马头、新店，国民党第五十二师未及堵截，此部日伪军渡过青弋江逃窜而去。
11日，新四军和国民党军一起向被困于双坑的日伪军后续部队发起进攻，日伪军残部突围至赤滩，也是从马头、新店渡过青弋江逃窜。
赤滩民众马金财夫妇在家中活捉1名日军，送交国民党军五十二师，可见日军败退的狼狈程度。
至此，皖南第二次反“扫荡”胜利结束。此次大小战斗数十次（已可构成战役），新四军以少胜多，不仅收复了泾县县城（我第三支队还乘胜收复了南陵县城），保卫了新四军军部，而且歼灭日伪军1000余人①，缴获大小炮、轻重机枪60多门（挺）、步枪400余支。
泾县保卫战是新四军在叶挺军长指挥下，运用游击战和阵地战相结合的战术，用劣势武器有效抗击了装备精良的日伪军的进攻，是新四军以少胜多的战斗。
此战粉碎了日寇在皖南规模最大、投入人数最多、装备武器最精良、进犯路线最长的一次大“扫荡”，打击了日本侵略军的骄横气焰，鼓舞了全国人民的抗日士气，进一步扩大了共产党和新四军的影响。
蒋介石获知皖南反“扫荡”获胜的消息后，也致电叶挺，予以“嘉奖”。
事后，日军第十三军在皖南“扫荡”作战计划实施情况的报告中称：“因对广泛地区只以少数兵力作战不能取得战果，反使第十五师团在泾县附近被优势敌军牵制，其结果却为敌人提供了包围以及消灭日军的宣传材料”。
撤退避战的国民党第五十二师照会叶挺，要新四军限时退出泾县城防。
叶挺军长为了顾全抗日统一战线的大局，命令新四军部队撤离泾县县城。
叶挺等人10月12日从前线返回，当回到云岭军部时，沿途群众夹道欢迎新四军凯旋，军部为此在云岭陈家祠堂召开大会，庆贺反“扫荡”的胜利。
当叶挺在大会上报告反“扫荡”情况时，激起会场上一阵又一阵的热烈掌声和欢呼声。
国民党第六行政专员公署在泾县召开庆祝皖南反“扫荡”胜利大会，专员兼泾县县长邓昊明代表地方政府向大会表示祝贺，向抗日军民表示慰问。
新四军文工团登台演出了话剧《大风》《打鬼子去》等节目。
在云岭新四军军部旧址纪念馆的藏品中，有一具日军望远镜，就是在泾县保卫战时缴获来的，由时任新四军副参谋长周子昆的警卫员黄诚的后人所捐赠。
1940年，新四军皖南两次反日伪“扫荡”取得胜利，群众传颂的顺口溜云：
云岭村，军部蹲，
叶挺和项英，
打鬼子真操心。
鬼子进了汀潭村，
叫兄弟，把命拼，
打得鬼子爬小岭。
烧房子，打冲锋，
一路烧到泾县城，
鬼子进了牛角洞。
四面八方新四军，
打得鬼子翻不得身，
飞机大炮救不了他的命。
相映成趣的，是日本鬼子也编有顺口溜：
新四军，真讨厌，
破坏公路拆电线，
大军到来一个都不见！
令人扼腕的是，皖南两次反“扫荡”胜利结束后仅3个月，即发生了震惊中外的皖南事变。
参加皖南两次反“扫荡”的部队编在皖南新四军北移序列里：老一团和新一团，还有特务团、警卫通讯连编为第一纵队（左路），约3000人，傅秋涛任司令员兼政治委员，赵凌波任副司令员，王槐生任参谋长，赵希仲任副参谋长，江渭清任政治部主任。
老三团和新三团编为第二纵队（中路），约2000余人，周桂生任司令员，黄火星任政治委员，冯达正任副司令员，谢忠良任参谋长，钟德胜任政治部主任。
老五团和军部特务团编为第三纵队（右路），约2000余人，张正坤任司令员，胡荣任政治委员，黄序周任参谋长，吴溪如任政治部主任。
扼腕叹息的还有，北移时，皖南部队除了第一纵队在皖南事变中突围出来约千人，第二、第三纵队大部牺牲或被俘、流散。
皖南事变后，纵队、团等的编制也就不复存在了。
而皖南事变中对新四军大开杀戒的国民党军之第五十二、第四十、第一〇八、第一四四师及新七师，正是皖南两次反“扫荡”中的“友军”。
新四军的皖南主力部队顶得住日寇的轰炸、扫射、步骑配合冲击，却倒在了国民党“友军”的黑枪之下！
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注①有些史料列出此次反“扫荡”歼灭日伪军3000余名，但此处采用《新四军征战日志》里的数字。