军区副司令员兼华中野战军司令员粟裕担任总指挥，七纵司令员吉洛（姬鹏飞）担任南线分指挥，八纵司令员陶勇担任围攻高邮城分指挥。战役分两个阶段进行，第一阶段，收复邵伯，扫清高邮城外围据点，围困高邮城；第二阶段，总攻高邮城，全歼守敌。
接到命令后，我各参战部队分别在“两淮’’地区做好战前准备。曾参加党的第七次全国代表大会的张鼎丞司令员深入到各部队传达党的七大精神，鼓舞大家的斗志。各参战部队都用七大精神进行战前动员。当时，八纵在粟裕率领下，执行中央“向北发展，向南防御”的战略方针，刚从浙东地区撤回华中。战前动员时，粟裕鼓励指战员说：“这一仗是我们华中子弟兵回到老家的第一仗，更要表现得勇敢，以胜利向华中人民汇报。”通过战前动员，战士们的情绪十分高涨。广大指战员表示：“敌人不投降，坚决消灭之！”“打胜高邮战役，粉碎国民党阴谋，保卫抗战胜利果实，保卫解放区！”各部队还对行进路线和主攻军事目标进行详细的侦察，研究具体作战部署，备好进攻、渡河和攻城的作战器材。
为了保证打胜高邮战役，华中各级党政组织响亮地提出：“部队要什么给什么，一切为了战役的胜利！”各地都进行支前动员，仅高邮县就调集1. 5万名民工、500条民船，帮助部队运送粮草75万公斤，还组织3000名民兵配合部队作战。当部队开进到高邮城以东的三垛、一沟、二沟一带时，当地群众腾房让铺，烧茶送水，并将许多大桌子和棉被拿出来给部队作攻城防身的“土坦克”用。高邮县抗日民主政府专门成立总后勤部，指挥和组织大批后勤人员，帮助部队安排生活，提供物资，运送弹药，组织担架队、救护队……人民群众的大力支援，鼓舞了部队指战员的斗志，广大指战员摩拳擦掌，整装待发。县委城工部还向部队提供了日伪军兵力分布图和各工事图等许多情报。
1945年12月19日晚，在八纵司令员陶勇指挥下，参加围攻高邮城战斗的部队悄悄地进入指定地点。19时整，在南北40公里、东西20公里的战场上，同时向高邮城外围据点发起进攻。顿时，炮声、枪声、冲杀声响彻夜空。北面，担任主攻任务的六十四团在突破敌人外围屏障，攻占北门外后，即派出三营作前卫，兵分两路：一路由营长率八连抄小路插入城北关，攻击敌占的面粉厂；另一路由营教导员和副营长率七、九两个连，沿运河大堤直逼北关。当七连指战员逼近北关敌人碉堡时，先头排以最快的动作猛扑过去，击毙敌人哨兵，抢占了防御工事，用机枪封锁敌人营房。七连和九连后续部队绕到碉堡后侧，掷出一串串手榴弹，炸得敌人晕头转向，城北关营房和碉堡内伪军被迫缴械投降。与此同时，八连战士不顾寒冷，涉水渡过北关河，冲过石桥，突进围墙，攻占了面粉厂。接着，在北关城镇展开巷战，歼灭顽抗的残余之敌。到第二天拂晓，六十四团占领了北门外的城镇，直逼城垣。东面有泰山庙、关帝庙、放生寺、观音庵等十几座庙宇，日伪军利用这些高大结实的庙宇构筑了防御工事。战斗打响后，六十六团、七十团和高邮独立团数千名指战员迅速冲破了敌人的防线，攻破了一个个庙宇工事。六十六团从东北方向攻击，一夜之间，就从双庙、泰山庙，一直打到城边的关帝庙南面。六十八团采用单刀直入的战术，派一营从正面攻击，三营从左侧沿运河堤突袭，二营从右侧的东门宝塔附近向西冲击，拦断圩外的日伪军。经过一夜激战，消灭了圩外的大部分日伪军，迫使圩内的日伪军退缩到城墙脚下的一幢房子里。六十八团又采取分割包围的战术，消灭了南门外的顽抗之敌，并俘虏伪军200多人。到20日中午，高邮城外围据点除东门宝塔外，均被扫除，日伪军龟缩在城里，处于新四军的围困之中。在八纵扫清高邮城外围据点的同时，七纵等指战员在粟裕的统一指挥下，于21日在南线发起攻势，一夜之间就攻克了邵伯等日伪据点，军区特务团攻克了车逻坝，切断了高邮城目伪军的退路，在邵伯、丁沟一线构成对扬州、泰州蒋军的防线，高邮城的日伪军成了瓮中之鳖。尽管新四军已扫清高邮城外围据点，但日伪军仍凭借高大的城垣，负隅顽抗。城墙上的警戒大部分换上了日军，他们抓紧加固城头工事，并不时地用速射炮向新四军阵地轰击。而此时国民党一面密令高邮日伪军“共同固守”、“坚决抵抗到底”，一面派二十五军一O八师师长顾凤阳率全部日械装备的一个团，勾结日军500余人和伪军3000多人，由扬州出发，增援高邮守城的日伪军。与此同时，驻高邮日军也对城北新四军阵地进行炮击，猖狂反扑。我八纵六十四团打垮了高邮城日军的多次反扑，七纵奋起还击，在邵伯击退了南来的援兵。
为了减少伤亡，八纵在做好攻城的同时，还开展了政治攻势。军区敌工部部长带领一批敌工干部，十几名日本反战同盟、朝鲜独立同盟的战友前来协助，打一场攻心战。六十四团宣传股的同志制作了许多大幅标语，乘夜挂到北门外的屋顶上，第二天一早，城墙门楼上的日伪军就看到醒目的大幅标语：“你们为谁流血？”“放下武器，保证生命安全！”……八纵政治部宣传科印制了大批的传单，有中文的，有日文的，有图画的。我们的同志刻不好日文，日本籍战友就帮助刻。传单内容主要是针对日伪军的思想状态，宣传共产党、八路军的政策；简单明了，通俗易懂。有的传单还用“天寒地冻破衣裳，你为谁人守城墙，不如出得城头来，弃暗投明求解放”等打油诗，敦促日伪军缴械投降。战士们将这些传单，用弓箭和迫击炮射进城里，而最成功的是用“土飞机”送传单，即扎成数平方米的大风筝，靠西北风送到城的上空，风筝上捆着一包包传单，每包传单绑上长短不同的线香，当点燃的线香烧断捆传单的线绳时，成百上千的传单便像雪片似地散落在城里。由于日酋对士兵封锁了日本天皇宣布无条件投降的消息，许多日本士兵还在盲目地为天皇卖命。军区敌工干部和日本、朝鲜籍的战友，组织了喊话组，用土喇叭向守在城头的日军宣读日本天皇的投降诏书，奉劝他们放下武器；还用留声机播放《支那之夜》、《思乡曲》等日本音乐和歌曲，以激起日本士兵的思乡之情。强大的政治攻势，涣散了日伪军斗志。几天后，有两名日军以出城修理铁丝网为借口，乘机投奔新四军。
政治攻势以后，军区首长决定，攻克高邮城。总指挥部调军区特务团配合攻城，将七十二团从北门调到南门，加强南门攻势，防止日伪军南逃；还将军区炮兵团调来，在北、东、南三面，各派一个山炮连、迫击炮连和步兵连，加强火力攻势。25日雨夜，总指挥部下达了总攻的命令。霎时，大炮轰鸣，枪声大作，杀声四起。军区炮兵团指战员以准确的炮火迅速摧毁了高邮城东、南、北三个门楼上的大碉堡和城头上的主要工事。紧接着，新四军指战员冒着敌人的弹雨，用“土坦克作掩护，越过开阔地，强渡护城河，用事先做好的长竹梯攀登城墙。
新四军六十八团一营指战员在轻重机枪和迫击炮的掩护下，前仆后继，首先突破南门，迅速攻克敌人的地堡群，为后续部队扫清了障碍。六十四团从西北方向攻进，一营的二连和三连沿着西北城角的两面爬城，突击班班长袁金生带着全班从城角北面趟过护城河，一阵风似地把梯子靠到城墙上。三根竹子接扎起来的梯子，人爬起来吱呀吱呀，又软又滑，随时都有跌下去的危险。战斗组组长蒋万金带头爬上去，眼看快要到城头，敌人突然伸出许多钩镰枪戳过来，可是我们的战士动作更快，人未到，手榴弹已扔上了城头。爆炸声里，日伪军被迫退开，就在这硝烟弥漫的一刹那，突击班的战士们跃上了城头，同时二连从城角西边也爬上了城墙，日伪军见两面被夹击，退路已断，丧失了抵抗的勇气，碉堡里叽叽喳喳吵了一阵，接着伸出一面小白旗，枪也扔了出来，日本“武士”们投降了。缺口打开后，二连和三连指战员迅速冲进城里追击日伪军。这时，六十六团、高邮独立团和七十团也从东门攻进城里。新四军大军进城后，经过激烈巷战，迫使敌人向碉堡林立的日军司令部收缩，新四军包围圈越缩越小，日伪军眼看大势已去，不得不逐渐停止抵抗。随即在日军“洪部”举行了驻高邮日军受降仪式。深夜11时，新四军八纵政治部主任韩念龙、副主任谢云晖在部队护卫下，威严地进入日军司令部，以新四军代表身份，命令日酋岩崎大佐传令各部，立即解除武装，交出武器，无条件投降。岩崎大佐解下身上的指挥刀放在桌上，向八纵政治部主任韩念龙行军礼后，双手捧着日军花名册和军械、军需登记册毕恭毕敬地呈送给韩念龙，然后退下站立一边。韩念龙接过登记册后，略加审阅，即令日军大佐指定专人陪同我军人员到被围各据点下令缴械投降，去广场及仓库清点和交接武器等物资。韩念龙向参加受降的日军军官宣布三条：一是所有日军官兵，各回原处待命。为了安全，活动限于院内，不得外出。二是战死的日军官兵可按日本国习俗，予以火化，骨灰收好以备带回本土。三是受伤的日军官兵，将由我方医务人员予以救治。
一向不张扬、一直没有暴露身份的粟裕司令员挤在我方人员中观看了受降的全过程。受降仪式结束后，他才满意地不声不响地离开大厅。这次受降仪式是中国共产党及其领导下的新四军举行的最大规模的受降仪式。26旦凌晨一点多钟，沦陷六年之久的高邮城宣告解放。
高邮战役计歼日军1100多人，其中生俘岩崎大佐以下892人；歼伪军4000多人，其中生俘伪四十二师师长王和民以下3493人；缴获各种火炮61门、各种枪支4308支。新四军伤亡662人。此役俘虏和歼灭日军之众，缴获枪炮弹药军械物资之多，不仅在华中抗日战场上是空前的，而且在全国战场上也是少见的，是新四军建军以来最大规模的对日打援攻歼战。高邮战役因此成为新四军对苏中日寇的最后一战，高邮城也成了全国最后解放的一座县城。1946年1月1日，高邮县召开了工、农、商、学、军、政代表500余人的庆祝大会。各界群众踊跃捐献款物，慰劳参战将士。中共华中第二地委机关报《人民报》发表元旦社论——《庆祝江（都）高（邮）战役的伟大胜利》。
高邮战役是华中新四军在中国人民抗日战争取得胜利、中国历史发生转折的重要关头，对负隅顽抗的日伪军发动的一次重要战役。它的胜利，对于保卫华中抗日战争胜利成果，巩固和扩大根据地以及实现我军战略战术的转变都具有重要意义。首先，高邮战役挫败了国民党进犯华中的企图，为巩固扩大解放区奠定了基础。为粉碎国民党的阴谋，华中军区和华中野战军根据毛泽东“八路军、新四军及其他人民军队，应在一切可能条件下，对于一切不愿投降的侵略者及其走狗实行广泛的进攻”的号召，积极执行延安总部及新四军军部关于对日受降和展开反攻的命令，果断发起高邮战役，一举攻克高邮城，迫使驻守日军无条件投降。它不仅毁灭性地打击了拒绝投降、继续与中国人民为敌的日伪势力，也有力地打击了国民党反动势力，挫败了他们同流合污企图占领和分割解放区的阴谋。高邮战役胜利后，人民军队拔除了插在运河线上的一颗钉子，使整个华中解放区得到了进一步的巩固和扩大，从而为应对新的形势变化打下了基础。其次，高邮战役为开辟华中解放战争的理想战场，夺取苏中“七战七捷”创造了条件。，抗日战争胜利后，蒋介石暗地里积极进行军事部署，准备发动内战。从内战前的形势看，地处蒋、日、伪统治中心的华中地区，极有可能是蒋介石最先进攻之地。高邮战役的胜利，彻底打破了国民党军沿运河线北上分割华中的企图，使华中野战军有效地控制了这一地区。华中野战军也就是在这块战场上运动作战，回旋自如，取得了苏中战役的胜利，创造了著名的苏中“七战七捷”。第三，高邮战役锤炼了部队，为解放军战略战术的转变积累了经验。高邮战役中所显示的战略战术的转换变化对后来战争的示范作用是巨大的，其中所蕴含的战争经验十分宝贵。经过高邮战役锻炼的华中野战军；在苏中战役中所运用的运动作战、攻坚打援、大范围迂回、集中优势兵力各个击破等战略战术，可以说是在更高层次上和更大范围内，对高邮战役的战略战术的继承和发展。因此，高邮战役的成功经验，无论是对新四军战略战术的转变，还是对以后战争的参考与借鉴，其意义都是极其重大和深远的。