在江蘇戰(zhàn)場上，戰(zhàn)斗爆發(fā)前，北洋第五師在韓莊前線僅駐有兩營兵力，由旅長方玉普率領(lǐng)(方升任旅長后尚未接任，實際上只是擔(dān)任團長職務(wù)),五師其他部隊散處各地，尚未集中。張勛屯兵兗州，躍躍欲試，但并未南移。連袁世凱也認為江蘇第三師師長冷遹“向顧大局”,命令“五師嚴守準備，未可輕進”^[1],尚無主動南侵之意。在討袁軍方面，同樣也無起兵準備。這與江西戰(zhàn)場上早已兩軍對峙的情況不同。所以，冷遹到南京參加軍事會議，討論起兵討袁時就指出：“我的軍隊尚散在四鄉(xiāng)剿匪，南京一宣布討袁，山東邊境的北軍勢必進攻，我若把不住第一線，怎么對得起各位？”^[2]
冷遹于南京宣布獨立之前回到徐州，倉促地收攏部隊，于7月15日占領(lǐng)利國驛。16日晨，冷遹未待全師集中，也未待一、八兩師北上，即以孤軍率先投入進攻，企圖一舉占領(lǐng)韓莊。方玉普率部抵抗，堅守待援。江蘇第三師攻擊竟日，未能得手。17日晨，冷遹加強了前線的兵力，繼續(xù)發(fā)動猛攻。正酣戰(zhàn)間，張勛武衛(wèi)前軍統(tǒng)領(lǐng)張文生率部來援，田中玉部巡防營隨后也到達韓莊前線。江蘇第三師遭北軍夾擊，被迫退守利國驛。
張勛自辛亥年敗退兗州以來，時時妄想復(fù)仇。這時，張部成了江蘇戰(zhàn)場上北軍的主攻部隊。對于這個封建余孽，黃興竟企圖利用他的忠君思想，策動其反袁，希望他“率一旅之眾，直搗濟南”^[3],這實在是一個在政治上無益的舉動，當然不可能改變張勛仇視革命的頑固立場。
7月18日，北軍轉(zhuǎn)入反攻。袁世凱調(diào)兵遣將，支援前線。是日，北洋第五師十九團由團長潘鴻鈞率領(lǐng)，步行二百里趕到韓莊，炮五團團長鄭士琦也自濟南率步兵一營、炮隊一連趕到前線，將利國驛車站轟毀。北軍兵力加強，討袁軍后援未到，被迫撤出利國驛，扼守二郎山口。19日，富有戰(zhàn)斗力的討袁軍主力第八師由劉建藩率領(lǐng)抵達前線，向敵軍左翼實施反攻，激戰(zhàn)一晝夜，包圍敵軍一部。北洋第五師將兩營后備隊全部投入戰(zhàn)斗，才突圍后撤。是日上午，討袁軍江蘇第一師一支隊開赴前線，聲勢大振，再度向敵反攻，迫使北軍撤退到利國驛附近。討袁軍前鋒一度追過運河。
但是，討袁軍兵力不足，未能擴大戰(zhàn)果。22日，北洋第四師何豐林旅開抵前線，北軍實力加強。張勛所部馬隊繞道臺兒莊進擊徐州東路，威脅討袁軍側(cè)背。討袁軍在徐州北的柳泉—茅村之間與敵激戰(zhàn)，態(tài)勢不利。這時，江蘇第三師張宗昌部馬隊在北軍策動下竟率先后退，擾亂了討袁軍的陣線。討袁軍全線潰退，放棄徐州，直奔蚌埠。
北軍于7月24日未遇抵抗，占領(lǐng)徐州。討袁軍盡管建制完好無損，但高級將領(lǐng)們斗志消沉，無意部署節(jié)節(jié)抵抗。一、八兩師奉命撤回南京。第三師則軍心渙散，冷遹脫離部隊回到南京，旅長伍崇仁等退守浦口，向北軍接洽投降。只因北軍進兵遲緩，才使戰(zhàn)事處于間歇狀態(tài)。
當討袁軍在徐州北鏖戰(zhàn)之際，上海討袁軍因幻想和平接管制造局，因而遲遲沒有開戰(zhàn)。這樣就使北軍于抵滬之后，贏得了半個多月的準備時間。臨戰(zhàn)之前，鄭汝成放棄了龍華分局以收緊兵力，集中力量堅守總局。他又迫使原駐局內(nèi)的六十一團、三十七團撤往局外，防止發(fā)生內(nèi)應(yīng)事變。北軍日夜興工，加強防御工事，決心堅守待援。
對于上海戰(zhàn)局來說，更為嚴重的是，海軍倒向了北軍一邊。海軍自煙臺回滬以后，態(tài)度就有所變化，但在上海開戰(zhàn)前，依然“人心甚活”^[4]。當7月16日吳淞要塞司令姜國梁宣布獨立時，海軍總司令李鼎新曾派艦隊會同步隊一營往攻吳淞，“乃兵艦多不贊成，愿守中立”^[5]。于是，袁世凱政府又派人持京、滬外國銀行匯款一百四十萬兩運動海軍官佐。應(yīng)瑞艦長毛仲方、楚有艦長魏子浩因不贊成參戰(zhàn)，被迫辭職。7月18日，飛鷹艦奉命上駛九江，企圖駛進吳淞口時，遭到吳淞炮臺的攻擊，軍艦受傷。這樣，海軍與討袁軍就對立起來。上海開戰(zhàn)之后，海軍總司令李鼎新指揮艦隊協(xié)助鄭汝成攻擊討袁軍，從而使討袁軍遭到意外襲擊。
陳其美鑒于滬上各軍力量不足，不得不向南京請援。南京方面看到上海行動不力，影響大局，只好從鎮(zhèn)江趙念伯的三十二旅撥出一團支援上海，于7月19日到達；又把南京的福字營調(diào)回上海，于22日到達。福字營為劉福彪統(tǒng)帶，辛亥革命時由上海游民分子組成，1912年間由程德全將該軍調(diào)赴南京，有炮一營，步二營，但實力不足。劉部到滬后，陳其美將福字營改編為特別敢死隊。至此，上海討袁軍的兵力部署大體完成。
23日凌晨2點55分，戰(zhàn)幕揭開，上海討袁軍向北軍駐守的制造局發(fā)動進攻。六十一團、三十七團攻擊制造局西柵，福字營助攻，松軍、鎮(zhèn)軍攻擊望道橋制造局正門。北軍死戰(zhàn)，海軍發(fā)巨炮壓制討袁軍火力，滬軍炮兵營被摧毀，討袁軍的進攻遭到挫折。北軍憑借既設(shè)陣地，發(fā)揮訓(xùn)練有素的技戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢和火力優(yōu)勢，成功地以微小的代價擊退了討袁軍的進攻。討袁軍由于軍官缺乏戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)，士兵缺乏戰(zhàn)斗訓(xùn)練，隊形密集，射擊不準，攻擊乏力，自清晨3時一直戰(zhàn)斗到上午11時，攻擊無效，傷亡累累，不得不暫時停止進攻。
上海戰(zhàn)事爆發(fā)后，列強明顯地支持袁世凱。租界當局于當日悍然議決將黃興、孫中山、陳其美、岑春煊、李平書、沈縵云、王一亭、楊信之八人逐出租界。列強外交人員通過各種途徑，向袁世凱政府透露討袁軍的軍事秘密。
23日夜，討袁軍因白天攻擊不利，發(fā)起夜戰(zhàn)，但依然未能奏效。鄭汝成看到討袁軍攻擊受挫，士氣不振，頓時猖狂起來。他函致南市商團威脅說，如果陳其美不取消司令部，他就要進攻南市。陳其美為避免南市商場遭到戰(zhàn)火破壞，遂將司令部遷往閘北南海會館。
24日晚，討袁軍依然出師不利。紅十字會會長沈仲禮、英國醫(yī)生柯司在駐滬領(lǐng)事團支持下，向討袁軍運動停戰(zhàn)，但談判沒有結(jié)果。25日晚，雙方續(xù)有戰(zhàn)斗。翌日，駐滬領(lǐng)事團與工部局西董會議，再次干涉中國內(nèi)爭，竟出通告宣布：“或在本界，或于本界以北毗連各鄉(xiāng)，不準作為行軍根據(jù)及陰謀計策中點之用。兩方面之中國兵弁，無論何方，均須遷出本界北鄉(xiāng)之外，以免戰(zhàn)事波及本界，而保衛(wèi)各國守分商民之安寧。且軍事領(lǐng)袖與有連帶者，無論何黨，或文或武，亦應(yīng)由本界及本界北鄉(xiāng)立即遷出，如違定行提究?！?sup>[6]顯然，這是租界當局打擊討袁軍的嚴重步驟。27日晨，租界工部局借口閘北中國商人請求保護生命財產(chǎn)，派遣總巡捕卜羅斯率馬隊三十余人侵入中國地界，開往閘北南海會館和湖州會館，驅(qū)逐討袁軍。蔣介石所率原六十一團一部約二百零七名討袁軍為英軍繳械。于是，閘北一度為英、美軍隊控制。
28日晚，討袁軍對制造局北軍象征性地發(fā)起最后一次進攻，很快就脫離了戰(zhàn)線。這一天，海軍總長劉冠雄率領(lǐng)艦隊護送北洋第四師李厚基旅南下，三天后陸續(xù)抵達制造局。討袁軍遂由龍華向七寶一線退卻，制造局解圍。7月31日，浙江都督朱瑞派遣浙軍開赴上海支援北軍。松軍被迫輾轉(zhuǎn)撤往吳淞一帶。進攻制造局之役至此完全失敗，上海討袁軍被迫侷守江灣—吳淞一隅。
還在上海討袁軍進攻制造局剛剛受挫的時候，一度蟄居的程德全又重新活躍起來。他看到討袁軍到處失利，敗局已定，遂于7月25日發(fā)表通電，聲明南京獨立的一切文電，是“假用德全名義號召”^[7]。他又與應(yīng)德閎聯(lián)名通電聲稱：“17日抵滬后，即密召蘇屬舊部水陸軍警，籌商恢復(fù)。”^[8]并宣布在蘇州行署辦事，從而在政治上給南京獨立以沉重的打擊。駐蘇州江蘇第二師師長章駕時于南京獨立后即棄職赴滬，旅長朱熙代理師長職務(wù)，這時接受程德全指揮。翌日，鎮(zhèn)江也接受程德全命令宣布取消獨立，滬寧鐵路當局也奉北京交通部的命令停止通車，寧、滬的聯(lián)系被截斷了，二次革命的中樞南京陷入了腹背受敵的嚴重局面。
黃興坐鎮(zhèn)南京，面臨著軍事形勢惡化，一籌莫展。程德全于7月26日致電黃興，要黃“取消討袁名義，投戈釋甲，痛自引咎，以謝天下”^[9]。28日，南京軍界接到了程德全取消獨立的密電，南京衛(wèi)隊營長張鵬翥更接到程德全捉拿黃興的電令。張把程的電令報告了黃興。黃興看到敗局已定，悲憤萬分，企圖自殺，經(jīng)部下一再規(guī)勸，遂于是夜乘日輪靜岡丸離寧，一走了之。他本擬赴滬，因無法上岸，遂隨輪前往日本。臨行之際，他囑陳之驥維持南京秩序，免遭亂兵蹂躪。黃興走后，討袁軍重要將領(lǐng)章梓、洪承點、冷遹也相繼離去。于是，南京陷入了“三軍無主”的局面。
黃興出走的同一天，沒有上任的討袁軍大元帥岑春煊也在上海發(fā)表聲明：“自問對于南北兩方面，無非以維持和平為惟一宗旨，不料兩方?jīng)Q裂，竟以兵事屬之。鄙人業(yè)已迭次堅辭，未肯承認矣，試觀上海一隅，戰(zhàn)端甫開，伏尸遍地，目不忍睹，耳不忍聞。如果各省紛紛效尤，內(nèi)亂不已，釀成瓜分，吾輩何可自為禍首乎？現(xiàn)在謠言繁多，若不去滬，無以自明心跡。”^[10]岑隨后即離滬赴粵。
7月29日，即黃興出走的翌日，代理江蘇民政長蔡寅、第八師師長陳之驥、代江蘇第一師師長(原第一旅旅長)周應(yīng)時等當即宣布取消獨立，并立即發(fā)電與袁世凱聯(lián)系，要求程德全、應(yīng)德閎回到南京處理善后事宜。南京獨立運動黯然瓦解。8月2日，孫中山看到寧、滬失利，不得不離滬赴粵，希望在廣東堅持討袁。于是，二次革命的核心地區(qū)失去了精神支柱，整個二次革命戰(zhàn)線很快就全線瓦解了。