下午，第四十师由东南、第五十二师由东、第一〇八师由东北、第一四四师由北、第七十九师由西，以优势火力、兵力对石井坑实施向心总攻击。
第四十师仗着人多势众，轮番集团冲锋。老五团集中机枪、手榴弹回击。战至黄昏，老五团在教导团支援下，先后打退国民党军成营成团的多次疯狂进攻，山头上的茅草在敌人炮火下一度烧成一片火海，阵地数次被突破，又数次夺回来，但部队的伤亡也很大。
老五团全体指战员牢记叶挺军长的誓言，子弹打光了，就和敌人拼刺刀，刺刀戳弯了，就用牙齿咬，全团5位正副营长伤亡（其中一营营长祝喜良和二营营长陈仁洪、副营长马长炎身负重伤，一营副营长邓林、三营副营长叶露霄先后牺牲）。
二营一排陈排长、二班黄班长拉响手榴弹与敌人同归于尽，几位身负重伤的战士抱着冲上来的敌人滚下深谷，场面之壮烈，惊天动、泣鬼神。
12日，máo • zhǔ • xí 出席中共中央政治局会议。会议通过由máo • zhǔ • xí 起草的指示电，当日下午以中共中央书记处名义电示胡服、陈毅转叶挺、饶漱石：
“一、中央决定一切军事、政治行动均由叶军长、饶漱石二人负总责，一切行动决心由叶军长下。项英同志随军行动北上。二、中央此决定向部队干部宣布。”
接着，máo • zé • dōng 、朱德、王稼祥致电胡服即转叶挺、饶漱石：“你们当前情况是否许可突围？如有可能，似以突围出去分批东进或北进（指定目标，分作几个支队分道前进，不限时间，以保存实力达到任务为原则）为有利，望考虑决定为盼。因在重庆交涉恐靠不住，同时应注意与包围部队首长谈判，并盼将情形电告。重庆方面，正在交涉，但你们不要靠望，一切靠你们自己。”
经过石井坑两天激战，我军守备部队伤亡2000千人以上，老五团牺牲大半，老三团一营及教导团工兵队、炮兵连伤亡殆尽，教导团干部队及第三、第四两个政治队学员亦大多献出了生命。
由于我军伤亡太大，加之dàn • yào 几乎耗尽，石井坑周围的我军一些阵地相继失守，石井坑已局部暴露在国民党军火力之下。
国民党军一度从石井坑坑口对面的山坡冲下来，有小部队甚至已经冲到了村口不远处。战线交错不清，攻击与反击无数次反复。
此日，二纵新三团坚守住了阵地：一营在白山阵地上击退第五十二师1个多营的数次进攻；二营在狮形山以北高地打退第一〇八师1个营的偷袭；三营在白山西北高地，打退第一〇八师和第五十二师各1个营的进攻。
这样保障了军部指挥所暂时未受攻击。
傍晚③，鉴于局势已无可挽回，叶挺军长决定分散突围，各部队自己选择突围方向，设法冲出包围圈。
总的目标依然是北上，一是经铜陵、繁昌渡江北上，一是经苏南渡江北上，或就地坚持打游击。
叶挺军长鼓励干部们说：“你们都是共产党员，愿意当突围司令的，都当突围司令吧！”
他要求大家：“皖南部队是革命的精华，你们要坚决突出重围，到江北去，开创抗日根据地，发展壮大革命力量。”
突围方向主要有三个：左路往茂林方向，中路往冬青树方向，右路往大康王方向。
13日凌晨，石井坑周围的几个制高点（香炉墩、象形山等）相继被国民党军占领，下午，白山也失守，村子前后都已暴露在其火力下。
于是，已在石井坑坚守了3天多的新四军数千人陆续分散突围，主要分为3路：左路（二纵余部为主）向西北往茂林方向，中路往冬青树方向，右路（叶挺率部为主）向东北往大康王方向。
叶挺、饶漱石率军司令部、教导团、老五团等部分人员500多人为一路，从石井坑往东北翻越白山（石山）的山峰火云尖（海拔811米），往大康王（大坑王）方向，项英、周子昆、袁国平也往此方向突围。
跟随叶挺、饶漱石从石井坑突围的一路，是以军部和教导团人员为主体的。
这支队伍由狮形山下的前线指挥所出发，向东北方向爬上石井坑北面的白山（石山），在火云尖附近越过山脊，下山进入西坑（山谷）。
这里只有一个坑口（谷口）向西通往外界。国民党第一〇八师liù • sì 四团已在坑口及坑口外的大康王（今王府村、九峰村一带，靠近鹿角山）设防，新四军突围人员当即遭到他们的机枪密集扫射。
叶挺军长临时组织起shǒu • qiāng 队，试图冲击国民党军的机枪阵地，打开往坑口突围的通道。以shǒu • qiāng 对机枪、以非战斗人员为主的队伍对付正规军，结果可想而知。
shǒu • qiāng 队终因兵力、火力相差悬殊未能冲开国民党军防线，剩余人员只得四下分散寻机突围。
项英、周子昆率军部少量人员，在鹿角山附近另觅去处，后在大康王就地隐蔽待机。
1月14日，一位国民党兵（自称是第一〇八师liù • sì 四团二营的排长）举着白旗边走边喊，声称“自家人不打自家人”，要新四军“派一位代表出去商量办法”。
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