李宗仁说：“是啊，当务之急，是火速增调援兵，加强淮河防务！”

徐祖诒问：“援兵，调谁呢？”

李宗仁果断地说：“西北军名将——张自忠！”

2月13日，李宗仁将刚转隶五战区的张自忠第59军调来，接替了第51军防地。第51军撤至西寺坡车站一带休整。

16日，张自忠指挥第59军向火星庙、新桥方面日军发起猛烈攻击。新锐之师锐不可挡。日军抵抗不住第59军猛攻，向曹老集溃逃。第59军紧追不舍，一直追至曹老集、胡家口之线。17日，一举攻下曹老集。尔后又向淮河北岸日军发动全线进攻，势如破竹所向披靡。经第59军连日打击，淮河北岸日军伤亡2,500多人，阵脚大乱。

李宗仁抓住时机，命令第31军由淮南铁路向上窑、凤阳，令新隶属五战区的第21集团军第7军由合肥向明光、定远分别实施侧击；同时要求空军支援，轰炸蚌埠、临淮关之敌，迫使日军将已渡淮北的主力撤回淮南，以加强蚌埠及津浦路防守。

张自忠乘机命令第180师和第38师各组成一个加强团，向小蚌埠之敌实施反击，于20日收复小蚌埠。迫使淮河以北日军全部撤回淮河以南。

同日，李宗仁按蒋介石指示，电令张自忠即调赴临城待命。津浦路南段仍由于学忠第51军防守，暂时与日军隔淮河对峙。至此淮河阻击战结束。