左路伪军陈三坎部见右路被袭，于是沿沂河西侧前进，企图策应右路日军，行至陶沟附近，遭到鲁中4团和特务营的伏击。陈三坎指挥伪军先后4次突围，均未成功。战至次日中午，陈三坎被击毙，伪军大部投降，仅200余人逃散。
水母娘娘庙建在一个不高的土丘上，原有大殿、后殿和厢房十几间，日军曾一度在此设据点，将后殿拆除，四周砌上围墙。日军被逼退后，民兵平毁了围墙。草野清败退至此，下令抢修工事，构筑掩体。
夜幕初降，舟状的月牙在云海中游荡。罗舜初和胡奇才策马来到前线，孙继先迎了上去。“上级来电，说莒县的敌人没有前来增援的迹象，不要急，慢慢打！”罗舜初翻身下马察看了一下娘娘庙的地形，“不好攻嘛，要动动脑筋。”
胡奇才沉思片刻，说，“敌人缺粮断水，不能持久，干脆在四周构筑工事，火力封锁，迫敌突围。”
“好主意，”孙继先补充道，“南边网开一面，诱敌向沂河突围，我们在河两岸设伏，将其逼下河，打死也好，淹死也好，都是一个目的——消灭敌人。”
晚9点30分，后续部队进入阵地，开始火力攻击，轻重机枪一齐开火，娘娘庙大殿东南角燃起熊熊大火，日军在火光里乱喊乱窜。一阵扫射之后，几名日军中弹倒下，其余的吓得躲在石碑、断墙之后不敢动弹。
到了子夜，月牙消逝了，天空漆黑一团。此时庙里一阵骚动，日军的大炮吼叫起来，随后机枪也嘎嘎响起。双方火力对峙了一夜，直至拂晓枪炮声才沉寂了。
草野清熬过了一个恐怖的夜晚，太阳一出，他的胆也壮了，决定凭借优势火力杀出一条血路。他观察了一阵，发现南面是八路军的薄弱环节，便下令一个小队向北佯攻，大部向南突围。
上午8时，日军炮火向北面阵地轰击。孙继先的心猛地一沉，难道鬼子要向北突围？他正在担心，突然发现30多名日军虚张声势地朝北冲锋，队形拉得很开。
“声东击西！好得很。”孙继先猛捶大腿，“打！把敌人打回去。”
日军冲了一阵，见火力太猛，仓皇回撤。草野清命令调转炮火向南狂轰滥炸，日军倾巢而出，向南边阵地拥去。八路军且战且退，最后“抵挡”不住，弃阵“逃散”了。日军冲向河滩，开始渡河，炮车、辎重和战马拥挤在狭长的河滩上，混乱不堪。
此时，预伏在沂河两岸的部队突然杀出，日军陷入重重包围，成片成片地倒下，河水顿成血色。草野清自知陷入绝境，拼命顽抗，率部顺河且战且退。两岸八路军平行追击，战至下午6时，日伪军大部被歼，草野清带残部向无儿崮方向拼死冲击。
防守无儿崮的是4分区警卫连，可该连见沂河滩上杀得热闹，擅自参战，只留一个排防守阵地。由于兵力薄弱，被草野清突破了阵地。
黄昏时分，草野清登上无儿崮险峰，清点人数，日军只剩45人，伪军剩126人。
9月6日，莒县守敌田坂旅团长率1700余人，在13架飞机掩护下赶来增援，草野清残部始才获救。
此战共毙日军300余人，俘日军31人，毙伪军1300余人，俘367人；缴获山炮两门（1门毁坏，另1门参加过解放战争，至今陈列在上海博物馆），缴获60迫击炮两门和大批辎重。