當起義軍抵近潮汕時，才發覺黃紹竑所部第七團已經由江西直入廣東平遠縣，虎視眈眈地盯住了起義軍。
如果起義軍此時立即回師進攻這一股敵人，還有可能固守廣東。可是長途跋涉的部隊到了潮汕後，忙於開會、籌款、建立政權，延誤了幾天才集中兵力開入揭陽，再轉向興寧。
這時候，李濟深又加添了8團主力軍到達興寧，與敵黃紹軟所部七團，錢大鈞部兩個團，以及敵何輯五的潮汕守備隊約兩個團，互相連結起來，遙相呼應。
而起義軍戰鬥力最強的二十五師已駐守在三河壩。從那裡趕來至少也要數天的路程。天各一方的起義軍大有被分割吃掉的危險。在事後的報告里，葉挺說他曾「提議放棄潮汕，集中我們兵力，並將多餘空槍悉運至海陸豐一帶交給農民軍，但此提議因負責同志不贊成」而未被採納。相反一些領導人卻又決定將起義軍進行第二次分兵：由周逸群率領第二十軍第三師，以及從葉挺部隊中抽出一部分人馬，以警衛潮汕；其餘部隊在葉挺、賀龍率領下，向揭陽進發。
這樣，起義部隊經過輾轉南下，已嚴重減員，到廣東大埔時已不滿1萬人；在三河壩、潮汕又兩次分兵，剩下兵力就更少了，僅有五六千人，況且均已是疲勞之師，面對前來堵截圍攻之強敵，己處於明顯的下風口了。
劉伯承也是較早意識到瀕臨危險的將領之一。行軍途中他就做過一個針對李濟深的軍事計畫，可惜到了潮汕，他的計畫被擱置一邊了。原因如他後幾個月所說的：「有些在政治方面的同志，忽視軍事他說，軍事不成問題，只看政治如何主張。而武裝同志大多數感兩月長途困苦，一見繁華的潮汕，不免有留連休息籌款給兵之表現。非同志之表現尤為不好，怠慢遲延，本來可24日集中揭陽者，竟至27日尚未完全集中，這是我軍遭大大失敗的罪過。」「非同志」指後來繳械的第二師師長賀錦齋等。
9月26日傍晚，起義軍第十一軍第二十四師和第二十軍第一師在葉賀率領之下，會合了彭湃領導的農民自衛軍，進入揭陽城。
因敵王俊部已於上午向山湖退卻，故起義軍是兵不血刃而進駐揭陽城的。葉、賀的指揮部設在揭陽城於學宮明倫堂，彭湃駐原商民協會辦公處。
當天下午，周恩來和郭沫若從汕頭趕來，與葉、賀、彭等在彭湃住處樓上開軍事會議，部署進軍計畫。
是晚，賀龍布置作戰任務，彭湃同新成立的縣工農委員會商討後勤支援，葉挺則去出席在東校場召開的軍民聯歡大會，並作演講。回來後，他又召開二十四師連以上幹部會議，講了當前的敵情：「廣東李濟深調集了他的手下陳濟棠、徐景唐、薛岳各師到東江地區，兵力有1萬人以上，企圖圍堵我們。從情報看，目前我們的當面之敵有1000多人，以我們的6000之眾打下他們還是有把握的。只要大家繼續發揚會昌戰鬥中奮勇殲敵的革命精神，一定能把敵人打敗！」可惜這是一個錯誤的情報。實際上敵人是4個主力師，並佔據有利地形嚴陣以待。起義軍的兵力只有當面之敵的三分之一。
所以 27日凌晨，起義軍向山湖、湯坑方向挺進時，既威武又壯觀。成千工農運輸糧彈，肩挑船運，水陸並進：2000多農民赤衛隊，分路馳赴戰場，協助戰勤和警戒，聲勢浩大。所以上午行軍40多里，竟未遇敵蹤。
下午，二十四師最先與一小股敵軍遭遇，投入戰鬥以後，這股敵人便奪路而逃，二十四師順勢追擊。
葉挺從火線上下來，向總指揮部報告前方的情形時，仍很樂觀，據他的估計，至多再有三四個小時，就可以把敵人解決了。他這一說，總指揮部里頓時充滿了喜悅的空氣。
二十四師確實打得很乾脆，他們迂迴敵軍側後，一個猛打，只一個多鐘頭，把王俊旅打得潰不成軍，殘部向湯坑方向逃去。起義軍於午後3時許，全部佔領王俊部陣地，賀龍、葉挺的指揮部移至潭嶺山。
因為起義軍不知王俊背後還有大部隊，且初戰告捷，士氣正盛，沒有多想便乘勝追擊。這一追就遇上了大敵薛岳。
薛岳與起義軍交過手，敗將一個。可這次他仗人多勢眾，且有援兵即至，所以有恃無恐。特別是王俊部敗退下來時，他還在山頭上大罵王俊草包。當起義軍前進到一片低谷地，敵人火力猛射過來，逼得潭嶺山上賀龍的指揮部數次轉移位置，常常是剛剛挪開，就有數十發炮彈落在原地爆炸。
戰鬥越打越激烈，起義軍派出幾支小部隊衝擊敵前沿陣地，但因後續部隊被敵火力封鎖而被迫退下。這樣反覆衝殺多次，激戰至深夜終不得手。午夜後，二十四師一部由當地赤衛隊員帶路，利用蔗園坎坷，迂迴敵軍右翼，滲透接敵，配合正面強攻。
到28日凌晨，起義軍終於攻佔薛部所佔的竹竿山及右翼丘陵陣地，前鋒部隊乘勝向分水村前進，擬搶佔瞭望崬一帶山地。薛岳沒有笑到最 後便被別人笑了。兩戰兩捷的葉挺將軍真有點打瘋了的味道。他的頭腦已經發熱，即使面前出現銅牆鐵壁他也決不會回頭！勝利像一顆綵球一樣誘人。
薛岳敗退後，陳濟棠部又上來了。他是接到李濟深之命，來支援薛、王兩部的。他的十一師已於前一天到達湯坑，於拂曉前展開，佔領大部山地。因為此處旱地與水田交錯，多是甘蔗田，彼此展望困難，一旦發現，已成短兵相接。當二十四師大部兵力沖至山腰時，由揭陽開來的二十軍二師四、五兩團趕到，頓增生力，敵人紛紛潰退，起義軍得以完全佔領前面一座高山。
不料，佔山之後，敵人又進入另一高山與之對峙，自中午12時起至晚上9時，敵人仍頑抗不退。這時戰鬥像兩股互相衝擊的潮水，一波淹過去，又一波衝過來，雙方衝來衝去，形成拉鋸戰。你拿手榴彈打過來，我拿手榴彈丟過去，雙方傷亡均慘重，仍難分勝負。敵人兵力約有1.5萬人，3倍於起義軍。
28日的激戰，蕭克上將是參加者。他回憶過他所在的第七十一團第二營的戰況，那是一幕血與火的悲壯史詩：
第七十一團第二營在廖快虎營長的指揮下，和一營協同，各連利用地形展開，冒彈雨突進。威震敵膽的號音和戰士們的喊殺聲交織在一起，一舉突破敵人的陣地，敵向後潰退，俘敵二三十人，繳獲重機槍一挺。我二營戰士追出半里之遙，進至敵扼守的高山下，仰攻敵陣。這時敵人大隊從山上反擊下來，我們又退回原陣地。廖營長把隊伍稍加整理，指揮迎擊敵人。敵人以優勢兵力撲來，我二營堅決抗擊，雙方傷亡很大。後終因眾寡懸殊，二營陣地失守，退至團部陣地。廖營長制止退卻，按建制集結，他命令比較整齊的八連和四連，立即反衝擊，一定要奪回陣地。兩個連分路前進，廖營長隨隊督戰，終於又把二營的陣地奪回來了。敵人從田壟對面猛烈射擊，廖營長中彈倒下了，傳令兵扶他，他以頑強的毅力坐在自己的陣地上，面對著敵人，向戰友們示意：固守陣地！固守陣地！然後，閉上眼睛，又倒下了。
已經是28日後半夜了，葉挺在指揮所里不安地走來走去。副官送來了一些餅乾和牛奶，指揮員們邊吃邊議論敵情。
葉挺提議：看來敵人難以一下擊潰，進行夜襲吧。以二十四師的七十一、七十二兩團為主攻，二十軍的一、二師掩護，以火焰為號。
天快亮了，仍未見山頭有火光點起。葉挺帶著參謀人員走出指揮所去觀看，正遇上衝下山的敵人的射擊，子彈紛紛飛來，他們只好回到房子里。葉挺和劉伯承等人商量。
劉伯承懇切他說：「不能再打了，我軍傷亡太大，官兵算在一起，死傷足有2000人，已無力再戰了。」同時他還將在戰地上拾得的敵軍計畫，拿給葉挺看，這才知道敵軍後續兵力遠比預計得多。
葉挺本想再沖一次，現在只好放棄，同意部隊撤退。
3天3夜，許多人只啃了幾塊餅乾，喝了點涼水。退下來後抓緊吃幾口飯。二十四師教導大隊第三隊開飯時，一集合報數，只剩下40多人，傷亡了一大半。老炊事員看到只有40來人吃飯，以為還有部隊在前線沒下來，把飯留在一邊。有人告訴他，不要留了，這些同志回不來了。老炊事員一聽，眼圈一紅，當場哭出聲來。葉挺也蹲在隊伍里吃飯，聽到炊事員哭，心如刀割，很心煩地瞥了一眼老炊事員，說：「哭什麼，打仗總會有犧牲的，我們的隊伍還在擴大，你說不定哪一天還會當連長呢！」吃完飯，部隊集合起來向潮汕方向撤退。
戰士們不肯撤，也不服氣：「我們並沒有打敗，為什麼撤退？」幹部也是一肚子氣：「丟那媽！老子自從吃軍糧以來，向後退還是第一次！」
二十四師的士兵更看重鐵軍的榮譽，在撤退路上罵開了：「為什麼要退？丟那媽，何不拼他個魚死網破，革命軍的名譽就這樣丟了？」不情願撤退和急於撤退的士兵形成兩股漩流，秩序有些亂。
賀龍騎在一匹高頭大馬上，緊勒著韁繩，戰馬在原地打轉。他沖著軍官們高聲喊道：「同志們，這10年是我垮