夜色中，72、78军除机关后勤、重机枪、炮兵单位及预留骨干以外共31000余人跃出临时工事向北悄悄推进；84军同样的主力夜袭15000余人也同时向南对进，伴随他们是数千从中央军各部队中抽调出来的轻机枪、轻迫击炮组，拉开了5日夜战的序幕。
这是两支杂牌军的游杂部队，前者由刘湘川军2个独立旅1个新兵师及几个保安团组成，后者更全由广西保安团升级而成；论装备，桂军是一色进口德国老毛瑟，一战剩余物资（史实）；而川军却连老汉阳造及川造步枪都缺甚多；不过此时无论桂军还是川军，没拿步枪的都拿着大刀片和手榴弹，只是有些川军拿的还是川造马尾而非国军通用的仿德式长柄手榴弹。
随着大批国军接近，零星的枪声立即变成密集到分不清暴雨；随即双方大炮兵和轻炮兵也以同样密集的炮弹加入这场激战。
夜色中，南北两线冲击的第一批国军将士几乎无一例外的被密集的日军轻重机枪火力扫倒，然他们的牺牲也给伴随川、桂军冲锋的中央军各60迫击炮分队指明了方位；随着一发发迫击炮精确的击中缺乏掩护的日军机枪组，炸的日军一线直射火力骤然下降，国军顺势继续冲锋，日军用步枪、‘甜瓜’及残存的机枪发扬火力，打的国军不断倒下、飞起；然大批国军踩着倒下的战友继续前进，担任掩护的轻迫不断贴近射击，将浅近战壕中日军暴露的火力点不断炸飞；终于在付出数千伤亡之后，南北国军相继冲入草就的日军阵地中，双方短兵相接再次展开廝杀。
就在日军开始调动增援西面战斗时，东面两侧国军也拼凑部分部队发起的夜袭。南侧是之前伤亡较轻的杨森20军和庞炳勋40军等1万多人；北侧是孙连仲30、42军等近万人；随后张自忠率领59、77军各一部万余人；关麟征率52、75军各一部万余人在更东面陆续也发起了夜袭。
缺乏整体协调本是国军的软肋，但此时却意外成为迷惑日军的手段！面对如此混乱的夜间进攻，多田骏和冈村宁次都无法理解，反而以为是国军诡计，双双迟疑不决不敢投入主力反扑。
于是，整条战线变得愈加混乱起来。部分勇猛或走运的国军冲入日军阵中不断引起局部争夺，而负责东段的冈村宁次下令稳守，导致双方大部分部队在黑暗中展开对射；远距离上日军重炮占优，中距离上国军迫击炮占优，近距离上双方轻炮、步机枪、手榴弹更是打的如火如荼，优劣局面不断转化。
中段南面，庞炳勋40军装备的仿日制掷弹筒（史实）在黑暗中给日军带来意想不到的混乱，就在一线日军不断报告遭到己方误击、不少日军掷弹筒组暂停发射的混乱之中，国军乘势突入日军前沿，迫使日军各联队屡屡投入预备队反击；可惜国军实力不强，庞炳勋和杨森也没有拼命的打算，十数次局部突破都先后被反了出来。中段北面国军进攻兵力最少，不巧又正对日军战车部队宿营抵御，孙连仲部一发起进攻，一线日军步兵就在数十辆战车掩护下硬碰硬发起冲击，即使在黑暗中、双方火器不断迸发的闪光也给战车兵指明了目标，战车火炮和车载机枪依仗装甲掩护对西北军的冲锋形成巨大压制，大批久经战火的老兵在接近战车试图爆破途中徒劳的牺牲；而装死这一招已被敌军普遍认知，日军战车行动极为谨慎，只在步兵掩护下时走时停、缓慢推进；不过这样一来也使西北军得以且战且退、继续牵制当面之日军。
东段，日军部署的多是前几日损失惨重的联队，但夹杂其中的工兵联队却用地雷阵给日军提供了额外的保障，加上日军有较充足的时间构筑工事，仿国军式样的阵地让正牌国军的夜攻遭遇严重的挫折；大批中央军和西北军的步枪兵、掷弹兵一头冲进跟日军打仗难得一见的雷场被炸的七零八落，勇敢的士兵用生命开辟的通道紧跟着就被日军重机枪交叉火力封锁；国军的60迫击炮班虽然不断帖近点射，屡屡直接击中黑暗中不断喷吐火射的地点，但土木结构的顶盖防住了绝大部分迫击炮弹的爆炸，持续的重机枪火力造成一波波国军死伤，迫使关麟征和张自忠先后下令停止进攻。但国军的各种迫击炮依旧在不断发射，前沿不行就打纵深；而日军纵深是各个师团的辎重联队、野战医院等非战斗单位，虽有令分散掩蔽，但大量物资和器材哪里能够做到？于是在国军的炮弹雨轰击之下不断起火甚至爆炸，熊熊大火引来更多的炮弹，最终甚至引来国军的轰炸机给日军下了一场难得的炸弹雨；而日军用野炮和重炮的还击却因为国军迫击炮普遍分散部署而效果寥寥。
西段的战斗最为惨烈，虽然日军无时间构筑坚固工事，但目标如此明显导致多田骏在此部署新锐重兵，川军和桂军虽然先后冲入日军不算严密的前沿、给日军制造了一些伤亡和混乱，但随后就遭遇日军主力的大举反扑，4万国军不多时就被连数量都占优势的日军打的败退下来。南面王陵基、张再等军师长都是老行伍还能控制着部队且战且退；而北面84军刘任、刘建常却是两个‘书生’（长期在军校任职），一遭打击188师顿时失控（历史上武汉会战中广济作战时的史实），连带凌压西189师也受到牵连垮了下来，很快撤退变成溃退。北面跑的掉而南面就惨了，不少川军忘记要向东南或西南走才能从浮桥上撤退，而是盲目的一路南逃，结果陷在沭河和沂河交汇处才想起来前无退路，而两河上的浮桥因为日军迅速逼近而被迫炸毁了。江苏保安团掌握的数十条小船赶紧进入沂河运送川军官兵撤退，但船少人多来回一波后日军装甲车和骑兵混编的搜索队就杀到国军面前，川军用残存的手雷炸毁2辆装甲车后抵抗就告崩溃，会水的跳进沭河或沂河逃跑，不会水的盲从跟着跳下河从此难觅踪影。
半夜时分，就在最后一批国军脱离战斗后不久，为挽回面子，白崇禧从主力7、48军中抽调的部分精锐、沿着84军失败的路线再次发起夜袭，这一波反而打的日军措手不及；连被白连哄带骗投入战斗的杨森和何知重部也顺利杀入日军阵中，乘着大部分日军昏昏欲睡连炸带砍扫倒一批日本兵。不过这一次国军都学‘乖’了，得手后立即撤退，还在撤退路上给日军留下不少木制地雷，把追杀出来的大队日军炸了回去。
后半夜，双方只余炮兵还是相互炮击，枪声慢慢沉寂下来。
6日的黎明早早来临，中日两军都是哈欠连天。
不过该打的仗还是要打，日军在夜间修理保养了大部分装甲车辆重振战车兵团战力，换上冈村的新锐部队协同再次发起进攻。
不过沂河边的黔军在夜间的战斗中不是损失了就是在天亮前撤走了，导致日军的炮弹和炸弹空炸一回，又因为遭遇无处不在的、漏网的地雷，导致日军拖拖拉拉到上午10时余才推进到陇海路沂河边；此时沂河大桥当然早被炸沉数段掉进河里，连两侧的临时浮桥也只剩下残骸。
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