淡水即克，革命军稍事整补于17日继续东进。恰遇洪兆麟率万余大军来反攻淡水，两军遭遇于平山附近的山区。
洪兆麟的部队素称勇悍，以“三冲”战法最为著名，即刚一接战就用密集队形勇猛冲锋，一般部队能抵挡一两次，但绝扛不住第三次。那时步兵火力以步枪为主，如果冲的快，这种战法还有一定效力，但是对方若装备大量自动火器（轻重机枪、冲锋枪等）就完了，几乎等于去送死。
然而这次遇到了火力强大，意志更坚韧的黄埔校军，三冲便不灵了。洪兆麟的部队虽然勇猛，但是死伤枕籍，就算侥幸突到对方阵前，仍免不了碰上冰冷的刺刀。只一个回合，洪兆麟的主力便失去了战斗力。2月23日，许崇智蒋介石等在白芒花召开会议，决定避开北面敌军重兵设防的坚城惠州，趁战胜之余威直下海、陆丰。26日，进据普宁、揭阳，控制了整个潮汕地区。
就在此时，由于东征军中、左两路的按兵不动，使陈炯明之林虎部得以从容抽调两万大军由兴宁、五华一带南下，直扑东江，截断右路东征军的退路，在潮汕地区将其一举歼灭。3月10日，林虎军抵河婆。林虎是民国初年有名的悍将，最善于打恶仗，如今以十倍于黄埔校军的力量进攻，可谓志在必得。
面对强敌，东征军以黄埔教导团和粤军第七旅迎战林虎；急调刚从后方开到的陈铭枢旅、欧阳驹旅占领河田；张民达师集中潮安，防备洪兆麟、叶举残部从东面袭击。
3月12日，黄埔校军由揭阳西进，途中接到报告，陈炯明军刘志陆、黄任寰、王定华部，由河婆出发，分路东进，一路向棉湖，一路向鲤湖挺进。下午二时，校军司令部进入普宁城，蒋介石命令何应钦率教导一团占棉湖，钱大钧（王伯龄被撤职后，第二团团长由钱接任）率教导二团占湖尾，以扼鲤湖及和顺之敌。傍晚位于校军右翼的许济旅却突然失去联系，直到第二天清晨，何应钦与林虎部开始接触，仍未见踪影。而负责左翼包抄的钱大钧第二团也因为地图不灵走错了路，竟也不知去向。这样棉湖之战的前半天等于是何应钦的一千多人迎战临湖的八九千人，形势极为危殆。
13日上午8时，教导一团在新塘村与敌遭遇，展开激战，教导团兵力1000余人，而敌多其近10倍。何应钦指挥全团3个营的兵力投入战斗，命令第一营为前锋，向敌正面进攻，第三营向敌左侧背攻击，第二营为预备队殿后。战斗打响，敌军借人多势众，将一营包围。何应钦亲临指挥一营官兵沉着应战，以至用刺刀肉博，但因寡不敌众，伤亡颇多，何应钦急令预备队二营拼死向敌冲锋，并命令以陈诚为连长的炮兵连向敌阵开炮，终将敌暂时击退。上午11时，敌又纠集兵力围攻教导团，敌军一度进攻到何应钦所在的团指挥部仅200多米处，形势十分危急。何应钦即指挥留守团部的特务连奋勇反击，战斗相持一晌。午后，负责左侧攻敌的第三营被敌包围，何应钦即令学兵连增援，集合团部所有工作员，包括警卫、勤务兵、伙夫都投入战斗。
蒋介石和苏联顾问在指挥所观战，蒋介石清醒的意识到这一仗至关重要，万一打败，全军覆没不说，革命精华将损失殆尽，因此严令何应钦坚决抵抗不准后退。加仑、周恩来也在战场上鼓舞士气，协助指挥。
中午时分，钱大钧帅教导第二团终于在当地农民的帮助下抵达鲤湖，并直扑和顺之敌军司令部，敌人后方被袭，全线混乱。下午三时，许济旅也终于在敌方侧翼出现，并发起进攻。林虎军全线溃退。
这里有个小插曲：校军炮兵连的几门山炮突然都打不响了。陈诚很着急。蒋介石看着他气不打一处来，说道：“你这个炮兵连连长为什么不试试，把炮架起来打打看？！”随即偕同苏俄顾问跟着陈诚前往炮兵阵地。蒋介石在日本留学三年多，学的就是炮兵专业，他要去炮兵阵地看个究竟。说来也巧，陈诚将一门山炮稍加调整，装上炮弹，亲自拉火，“轰”的一声响了，炮弹落在向第一团指挥部蠕动的敌人中间，随即有几个敌军士兵被炸死。陈诚喜出望外，立即命令其他五门炮都架起来调试，结果均打响了。炮弹雨点般地落在敌群之中，敌人纷纷弃阵而走，炮兵大显神威。校军阵地上的官兵看到这戏剧性的一幕，顿时精神一振，纷纷对敌人发起反击，敌军开始动摇。究其原因并不神奇，原来山炮的撞针由于过热变软了，停止开炮一段时间，冷却后，又硬了，所以陈诚上去就打响了，一点都不奇怪。
第一团和粤军许旅协同追击敌兵，不意进至和顺村落入敌人包围圈，林军总预备队进行反攻。许旅不支而退，一团第一、第三营又被包围，伤亡惨重。尤其是第三营，死伤散失几尽。在这种情况下，团部官兵一面整理队伍，坚决抵御；一面到处摇旗呐喊，迷惑敌人，使敌人不敢轻易冒进。甚至苏联顾问们都抄起枪参加了战斗。战至傍晚，各路革命军纷纷赶来参战，林虎再无力抵抗，退入江西境内。
至此，棉湖之战东征军取得了重大胜利。
棉湖战役，是第一次东征中最激烈的一次战役。对于中国国民党及其黄埔军校校军具有重大历史作用和意义。蒋介石在战斗危急关头曾对何应钦说：“必须想办法挽回局势，我们不能后退一步，假如今天在此地失败了，我们就一切都完了，再无希望返回广州了，革命事业也得遭到严重的挫折。”棉湖战役指挥官何应钦称：“此次战斗，为时虽不过一日，但战斗之惨烈，实近代各国战争所少见，其关系革命成败亦最巨。”黄埔军校政治部主任周恩来在棉湖作战时，亲临战场第一线参与策划与指挥。曾参与棉湖战役的苏军首席顾问加伦将军指出：“这次战役在世界战争史上都是很少的，苏联十月革命时，处境非常困难，但作战是非常英勇，也很少有可以和这次棉湖战役相媲美的。”因此，棉湖大捷是具有革命意义的、里程碑式的战役。
随后东征军乘势占领了兴宁、五华，彻底摧毁了陈炯明军的巢穴，但敌军力量却大部逃往闽赣二省。第一次东征胜利结束，这时蒋介石才将孙中山先生于3月12日逝世的消息公布出来。全军举行追悼大会。
随后又分兵进占梅县，一面警戒闽边，一边对部队进行整补。