月18日凌晨，右路7军所属172师由固镇向灵壁出动。在战前，国军作了充分侦察，基本探明了当面解放军的实力。镇守灵壁的是解放军华中野战军9纵主力万余人。根据9纵司令员张震的估计，灵壁西南的大山集易守难攻，是县城最重要的屏障，一定是国军进攻的重点。因此他让手下战斗力最强的73团守卫灵壁西南的重镇大山集。在其他方面，张震的部署也可以说密不透风：79团协同华中第7军分区独3团守备灵壁县城，81团在灵壁至固镇公路的大周家布防，迟滞国军前进，75、77、骑兵团为预备队待机。面对在数量上占优势的解放军，172师师长朱乃瑞格外谨慎。他先以一部向大山集方向作试探性进攻。18日拂晓，172师前哨分队以青纱帐为掩护，偷袭大山集附近解放军阵地。73团奋力还击，击退了敌军的第一次冲锋。可国军的第一个冲击波刚退下去，解放军战士还喘息未定，国军的第二次冲锋又开始了。这次国军投入了将近一个团的兵力。他们以连、排、班为单位，小群多组，快速运动。解放军对这种作战方式很不适应，弹药消耗很大。仗打到中午。朱乃瑞见大山集正面解放军防御较强，遂改变进攻方向，命令进攻大山集正面的部队牵制大山集守军，同时以一部沿公路佯攻大周家，而师主力由沱河集直插大山集背后，企图夹击守军。下午2时，国军迂回部队与南下准备出击国军侧翼的解放军77团遭遇。朱乃瑞当机立断，迅速集中兵力向77团发动攻击。77团虽奋力抗击，无奈寡不敌众，损失很大。尽管张震急调75团前来增援，仍无法抵挡国军的攻势，节节后退。172师乘机向大山集侧后。于是，73团陷于孤立。国军得势不饶人，向大山集发动总攻。73团伤亡重大，团政治处副主任王西康也战死沙场。当夜，73团被迫撤出大山集。夺占大山集后，172师分两路进逼灵壁，先后攻取了灵壁西南之毛义山、朱山及固镇到灵壁公路上的晏路口。9纵主力被迫于20日退守灵壁城。21日晨，172师集中兵力猛攻灵壁城外的制高点凤凰山。国军借助猛烈的炮火掩护，连续组织了三次冲锋。到下午2时，守军终于顶不住了，凤凰山失守。稍后，国军又将火炮搬上了凤凰山顶，居高临下，不停地向城内猛轰。灵壁城一片火海。尽管形势极端不利，保卫灵壁城的解放军79团和独3团仍打得英勇顽强，连续打退了国军两次进攻。22日拂晓，172师再次向灵壁城发动猛烈进攻，经数小时激战，终于占领了灵壁城。23日，172师又以一部向东扫荡虞姬墓，击退了解放军的掩护部队，解除了解放军反攻县城的威胁。