1月10日，顽军向石井坑紧缩了包围圈，顽军如潮水般涌来。在叶挺率领下，部队继续坚守石井坑，与敌人展开殊死战斗。新四军打退了敌军多次冲锋。敌人的大炮狂轰，把山上的竹林都炸成枯叶残枝，撒满山坡。战士们被炮弹掀起的泥土盖住了，把泥土拨开，爬起来继续战斗。坚守在东流山的勇士们，子弹打光了，就拼刺刀，刺刀戳弯了，就用牙咬，敌人逼近，他们就拉响手榴弹冲向敌群同归于尽，有的战士受伤了，仍坚持不下火线，重伤员们抱着敌人滚下了万丈深谷。其场面是何等壮烈！激战到12日，终因寡不敌众，东流山失守。
石井坑上空火光纷飞，电光弹交错，天空如同白昼，敌人借助火光，向军部逼近。面对敌军疯狂的进攻，叶挺临危不惧，奋不顾身地亲自指挥部队作战。他整天都坚守在战斗前线，观察战况。为指挥部队打退敌军的疯狂进攻和组织突围而操劳，连吃饭休息都顾不上。对叶挺这种为革命事业忠心耿耿的崇高品德，战士们都十分感动，当他从阵地回到军部指挥所时，大家不约而同地向他走过来。叶军长抬手拢一拢被风吹乱的头发，目光炯炯地扫视着大家，然后精神抖擞地放开洪亮的嗓音讲道：“同志们，目前的形势很清楚了。蒋介石卑鄙无耻，设下阴谋诡计，把我们围困在这里。但是，我们新四军顾全大局，坚持抗战，正义在我们这一边！为了抗日、为了人民，我们赴汤蹈火，在所不辞！”干部听了叶军长的讲话，受到了巨大鼓舞，一致表示在叶挺军长领导下战斗到底。
12日夜晚，我军的伤亡越来越大，血流成河，石井坑的黄土已是一片紫红；石井坑失守了。
叶挺指挥部队边打边撤，退到了狮形山，立即召开干部紧急会议，叶挺难过而悲愤地说：“同志们，情况危急，为保留革命种子，现在开始突围，所有部队突围后的目标向苏北转移。”叶挺庄严而悲怆地说：“同志们，突围这场恶战就要开始了。此次转移，军部损失惨重，我叶挺有罪啊！”他声音哽咽地说：“我对不起党，对不起大家。我希望大家想尽一切办法冲出重围，为革命保留种子。”饶漱石的心情也很难过，他安慰说：“军长，你何必自责，这个大祸完全是项英这个草包的责任！”叶挺激动地一一握了大家的手，此时一别，不知能否再见，大家都心情沉重，叶挺含着热泪祝大家突围胜利。
当晚八时，部队分散突围。突围开始了，战士们毫不畏缩，奋不顾身向敌人冲去。敌人把手榴弹掷过来，有的战士迅速拾起敌人的手榴弹又扔回去。有的战士子弹打光了，就插上刺刀
或抱着石头跳出掩护林，与敌人展开肉搏战。一些战士拉响了身上仅有的一个手榴弹，与敌人同归于尽，阵地上处处流着鲜红的血，山坡上堆满了血肉模糊的尸体。只有2000多人终于经多次血战，从尸骨如山、鲜血淋漓的战场中冲出，他们历尽千辛万苦先后到达苏北和江北，成为震惊中外的皖南事变的幸存者。
12日晚上，叶挺率军部和教导队部分人员，离开了石井坑，向外突围，他们经过一夜苦战，转移到大康王西的地方。但大康王出口处已为顽军封锁，无法突围。此时，突然枪声大作，顽军向我进攻。大家在叶挺率领下，只好退到山上。顽军疯狂地向山上开枪扫射。叶挺军长毫不畏惧地就在山坡上观察敌情，子弹肆无忌惮地从他的耳朵边，头顶上飞过去，一些干部关心叶挺安全，劝他隐蔽一下。叶挺愤恨地说：“我不去，我要到重庆找蒋介石算帐去，要隐蔽，你们自己去！”
几天来，叶挺与大家一样，没吃过一顿饭。他吩咐警卫员把自己米袋里仅有一点米倒出来，交给饮事员煮稀饭，大家一齐吃，叶挺舍不得吃，让大家吃。警卫员请求叶挺自己把饭吃了，但是叶挺坚持不肯吃，最后每人分吃几口，才把这顿饭吃完。在如此困难危急时刻，叶挺依然关怀战士。
连日来，中共中央十分关注新四军北移部队和叶挺等人的处境，不断致电叶挺等人，询问部队的情况，勉励叶挺等继续坚持斗争，并表示党中央正积极设法营救他们。刘少奇、陈毅在江北也时刻关注着皖南部队的处境，研究如何增援事宜。
遵照党中央的指示，周恩来在重庆向国民党蒋介石方面提出了严正抗议。同时向社会各界严正揭露国民党顽固派制造皖南事变的阴谋。13、14日，中共中央一再致电叶挺等领导人，询问他们当前处境，并通报中央正与国民党方面交涉的情况。由于叶挺已下令将电台砸烂以便突围，因而无法收到中央的来电。
14日，叶挺、饶漱石仍被困在狭窄的山洼里，此处三面环山，唯一的出口被顽军火力控制，无法突围，处境非常危急。太阳升起来了，叶挺手举望远镜在寻找出路。突然，他的望远镜里闯入一个小点，渐渐地看清了，原来是一个人举着一面白旗边跑边喊：“同志们，我们都是中国人不该互相残杀，请派一位代表来谈判。”饶漱石提出，要下山与国民党当局顾祝同谈判，要求顾祝同让出道路给部队通过，到苏北抗日。叶挺表示坚决不去，但是饶漱石一再催促他去。饶漱石恳切地说：“军长，现在围兵重重，突围无望，留在这里只有死路一条，为了党的事业，为了战士们，也只有这一条路了。”他又严肃认真地说：“是啊，是党派你去的。我自应向党中央报告。”饶漱石抓住叶挺热爱党的事业的心理，一再催促叶挺去谈判。叶挺只好说：“为了党的事业，为了战士们，如果党决定派我去，我就服从。”然后，叶挺不顾自己的安危带着随员下山谈判，随即被顽军无理扣押。
叶挺走后，石井坑被敌军占领，新四军队伍被打散了，顽军到处搜捕、杀害新四军人员。许多干部战士在坚守阵地中，流尽最后一滴血，壮烈牺牲！鲜血染红了石井坑。
项英一行8日深夜不告而别后，由于道路不熟，夜色漆黑，他们转来转去，没有突出包围圈，又回到了军部。项英低着头，泪水止不住叭哒叭哒往下落，他愧对叶挺将军和战士们。8日前，他是那样威风，似乎新四军是他项英一人的，一切由他说了算。而现在却成了归来的逃兵，权力不再属于他了，他长嘘短叹，心如刀绞，泪水不自禁地流出来，他愧对新四军战士们。
此后项英判若两人，他痛恨自己在军事上的无知，导致了战士们的流血牺牲。
项英、周子昆与叶挺、饶漱石由石井坑向大康王突围上山，在山上被顽军打散了。项英与军部副官刘厚总等隐蔽在树林里，巧妙地躲过了搜山的顽军，乘着顽军的空隙向原来突围的方向——石井坑、东流山方向移动。第三天黎明，在赵家村的一碳棚子里遇到李志高（军部科长）后又碰到周子昆及警卫员黄诚。一见面，大家都流下了眼泪。项英忏悔地说：“新四军失败，我要负主要责任，等回到延安，我一定向中央检查错误，听候处理。”这里的群众很同情新四军，见他们又累又饿，伤的伤，残的残，十分难过，立即烧火做饭，包扎伤员，打探消息。在老百姓的帮助下，他们很快找到了五团二营的营部，两股力量合起来共40多人，分散隐蔽在大山沟里。一个多月后，项英、周子昆等转移至丕岭下，在内覃仑附近的深山老林里隐蔽了一、二十天。
3月11日，项英、周子昆等转移到田坑里附近的莲坑，拂晓前就转移到田坑里沟尾子上。这里山腰有上下两个洞，小洞叫蜜蜂洞，只能容纳三、四个人，项英、周子昆、刘厚总和黄诚就住在蜜蜂洞里，下洞大一些，其他20多人住那里。
3月13日晚，项英、周子昆吃罢晚饭，对坐着用小石头下棋，过了不久，小洞口油灯熄灭了。警卫员黄诚睡在里面，然后是周子昆、项英。刘厚总为了保卫，总睡在外面。此时，刘厚总却睡不着，他看着沉睡的项英、周子昆，又望了望周子昆装经费的口袋，仿佛自己成了有钱的财主，妻妾成群的簇拥着，他陶醉了……他凶狠的目光环顾四周，此时一片寂静，正是下手的好机会。他迅速抽出手枪，朝正在沉睡的3个人身上“砰砰砰”地几枪。项英、周子昆当场毙命，黄诚脖子和肚子挨了两枪，肠子都流了出来，人昏死过去了。凶手刘厚总从项英、周子昆身上取走了经费、枪及项英的金笔、金表、仓惶出逃，向国民党顽固派投降。
项英被害时年仅47岁，周子昆40岁。战士们将项英、周子昆埋在洞外的山坡上做了记号。解放后，1955年5月，南京军区干部部的同志在黄诚的带领下来到蜜蜂洞附近，将项英、周子昆的遗骸运到南京，安葬于南京雨花台革命烈士陵园。
项英在新四军工作期间，为新四军的发展做出一定的贡献，对皖南事变，项英不应承担全部责任。他也是这次事变的受害者和牺牲者。当然，项英在皖南事变中的过失，使国民党顽固派的阴谋得以实现，未能使新四军皖南部队的损失缩小在有限范围内，这是后人值得认真总结经验、吸取教训的。
项英在革命斗争中功大于过，称得上一个革命家，一个无产阶级革命战士和革命烈士。
皖南事变给新四军造成了巨大的损失。皖南新四军9000人除2000人突围外，其余600O余人大部分壮烈牺牲，一部分被俘。军长叶挺被扣押，政治部主任袁国平牺牲，副军长项英、副参谋长周子昆被叛徒杀害，这就是震惊中外、骇人听闻的皖南事变。