就在這個危急時刻，陳毅率山東野戰軍指揮部南下，到達淮北。他認為華中戰局除蘇中地區形勢較好，「敵氣已頹」之外，整個淮南、淮北地區的敵人氣焰都很囂張。因此，他決心在淮北打一兩次好仗，以改變局勢。
經過研究，他首先選定的戰鬥目標是駐守泗縣的桂系兩個團。
陳毅對於泗縣誌在必得，他使用山東野戰軍的主力第八師擔任主攻任務，要求他們速戰速決，趕在敵人桂系第七軍未調整完部署與第五軍未到淮北以前解決戰鬥。
八師作風頑強、戰鬥勇猛，新四軍中被稱為「陳軍長袖子裏的小老虎」。但在攻打泗縣的戰鬥中，卻未能奏效。
在8月7日發起戰鬥後，泗縣之敵不斷組織瘋狂反撲，戰鬥陷入膠著狀態。8月9日晚，陳毅果斷下令撤出戰鬥，全部主力撤到睢寧以西地區休整。
泗縣城未攻下，八師付出了2000多人傷亡的代價，更重要的是，泗縣我軍失利後，國民黨軍乘勢向淮北推進，並準備向華中解放區首府淮陰與山東解放區首府臨沂兩個方向進攻，造成了我軍進一步的被動。
「勝敗乃兵家常事」為古來治軍明訓，自古以來，沒有一位百分之百的常勝將軍，也自然沒有一位將軍敢於宣布自己從未吃過敗仗。
戰爭的關鍵問題不在於你是否有過失誤，有過失敗，而在於你能否從失誤與失敗中重新找回成功，汲取教訓，取得最後的勝利。這是一個傑出軍事家應有的大將風度，陳毅身上恰恰體現出這種大將風度。
在緊張的戰鬥中，陳毅一方面把握戰局的變化，在毛澤東與中央軍委的領導下進行戰略調整，逐步實作了山東野戰軍與華中野戰軍的集中統一，完成了艱巨的戰略轉變。
另一方面，認真總結了進入解放戰爭以來三個月的經驗與教訓，尤其是認真總結了泅縣之戰的深刻教訓。
從客觀上講，泗縣之戰的失利主要是進入解放戰爭時期後，敵手敵情都發生了重大變化，我方從指揮員到戰士還不能完全從戰略戰術上調整適應過來，有急於求成、戰役組織不夠周密等弱點。
具體來講，還有這樣幾點原因：
第一，地形掌握不夠。
泗縣為水網地區，7月中旬以來，暴雨不斷，到處溝滿壕平，一片澤國景象。許多幹部提出「溝滿水深，不好突擊」，主張不攻泗縣。
軍分區的一些領導則憑經驗，認為「泗城外壕水深不過膝」，山野參謀長力主攻打泗縣，陳毅贊同了這一主張。
但在戰鬥實施中卻發現水勢太大，部隊往往在齊胸的積水中前進，彈藥受潮失效，炮車輜重無法行進，攻城戰鬥打響後，二縱竟因河水阻隔，無法接近城門，這都直接影響了戰鬥的進行。
第二，敵情掌握不夠。
敵方守城部隊是桂系第一七二師，多系老兵，頑固、善守是其突出特點，而我軍遠途奔襲，部隊疲困，戰前又未進行周詳的戰術偵察。戰事不順更在所難免。
第三，戰役優勢未能有效利用。
這次攻打泗縣，有山東野戰軍19個個主力團，加上其他部隊，共投入22個團，從總局上看，我方處於絕對優勢的狀態中
但在戰役實施過程中，僅將6個團用於攻城，而且這6個團還分出了將近一半的力量去解決外圍據點，戰役上的優勢變成了戰術上的劣勢。
所以，這一仗打完後，戰士們反倒首先看出了問題所在，他們說：「上級老說要集中兵力，臨到打起來，卻要敵人兩個打我們一個。」
第四，戰前組織協調不充分。
這次泗縣戰鬥前，由於時間緊追，未召集參戰各縱隊（師)級指揮員集中研究戰役協調工作，未進行具體組織準備，造成總的部署有兵用不上，主攻部隊兵力分散，無預備隊。
對於泗縣之戰以及三個月來的戰鬥，陳毅在10月4日專門給八師領導寫了一封信，坦率地進行了自我批評，總結了這一時期的經驗教訓。
在陳毅的帶領下，從指揮員到戰士，都對二個月來的戰鬥進行了認真的回顧與總結，尤其是山東野戰軍與華中野戰軍統一行動，兩個指揮部合為一個後，陳毅在漣水先後多次召開幹部會議，總結經驗，吸取教訓，研究戰略戰術。
經過兩個月的戰鬥洗禮，經過認真的總結，陳毅的軍事指揮藝術，又得到了新的昇華，各級指揮員的指揮水平也得到了提高。
尤其是兩大野戰軍合並後，粟裕與譚震林又成為陳毅的左右手，組成了最佳指揮組合。
根據中央軍委指示、兩大野戰軍合並後，陳毅為司令員兼政委，粟裕為副司令員，譚震林為副政委。總體格局是「在陳領導下，大政方針共同決定、戰役指揮交粟負責」，譚震林主要協助陳毅負責部隊黨的工作。
山東野戰軍與華中野戰軍合並指揮後，在陳毅、粟裕的指揮下，迅速以全新的姿態投入了戰鬥。
陳毅完全走出了一個新的指揮思路，在粟裕的鼎力協助下，指揮部隊取得了宿北大捷，逐步走上了其軍事指揮生涯的鼎盛時代。
中央軍委兩次電賀：「慶祝宿沭前線殲敵2萬以上的大勝利，於大局有利，甚好甚慰，望對一切有功將士傳令嘉獎。」
宿北戰役對華東戰局的影響自不待言，我們在這裏需要提出的是這一戰役標誌著陳毅軍事指揮藝術的一個飛躍，標誌著陳粟指揮體制的正式形成。
正如【陳毅傳】所說：「這是解放戰爭中陳、粟第一次共同指揮大型戰役，一個能壓陣作主，一個善運籌布兵，兩人配合默契、相得益彰。」
