水師戰船早已封鎖了淮河水面，當蒙軍試圖透過浮橋撤退或增援時，遭到了宋軍水師戰船密集的箭雨和炮石攻擊，浮橋上死傷慘重，一度堵塞。
韓世忠甚至派出敢死隊，乘坐火船，順流而下，衝擊浮橋，雖未完全燒斷，但也嚴重破壞了橋面，使得蒙軍透過浮橋的效率大打折扣。
激烈的巷戰持續了整整三日三夜。
第一日，宋軍主力突入城內，與蒙軍在外城展開激烈爭奪，控制了近半城區，但蒙軍退守內城及幾處重要據點，抵抗依舊頑強。
第二日，劉錡調集炮車，運入城內，轟擊內城城牆。
韓世忠水師也逼近南岸盱眙，壓制對岸蒙軍，使其無法有效支援泗州內城。
內城蒙軍陷入孤立。
史天澤、嚴實所部漢軍，在傷亡慘重、突圍無望的情況下，軍心開始動搖，部分士卒甚至偷偷縋城投降。
第三日，宋軍對內城發動總攻。
在內無糧草，外無援兵，且宋軍炮石不斷轟擊的情況下，內城蒙軍士氣徹底崩潰。
窩闊臺見敗局已定，知內城不可守，遂在剩餘怯薛軍的拼死保護下，拋棄大部兵馬和輜重，冒著宋軍水師的箭雨，強行透過受損的浮橋，逃往南岸的盱眙城。
史天澤、嚴實等漢軍世侯，見窩闊臺棄城而逃，也徹底喪失鬥志，或率親信部曲突圍，或開城投降。
主帥一逃，城內殘存的蒙軍更是土崩瓦解。
來不及逃過浮橋的蒙軍，或跪地請降，或脫去衣甲，混入民房，或跳入淮河，試圖泅渡逃生，多數被宋軍水師射殺或溺斃。
至第三日傍晚，泗州北城的戰事基本平息。
除了零星負隅頑抗的據點被逐一清剿，大部分城區已被宋軍控制。
這三日巷戰，慘烈程度遠超攻城。
狹窄的街巷限制了兵力的展開，卻將廝殺的殘酷性放大到極致。
每一寸土地的爭奪，都伴隨著雙方士兵的鮮血和生命。
蒙軍困獸猶鬥，尤其是蒙古本部和漢軍世侯的精銳家丁，抵抗極為兇悍。
宋軍則仗著兵力優勢和源源不斷的後續部隊，步步緊逼，以命換命。
戰後清理戰場，景象令人觸目驚心。
斷壁殘垣間，屍骸枕藉，血流成河。
倒塌的房屋下，破碎的兵器旁，到處是雙方戰死者的屍體。
泗州城，這座淮河重鎮，在經歷了一個多月的圍城和三日的血腥巷戰後，幾乎化為一片廢墟。
街道上瀰漫著濃烈的血腥味、焦糊味和硝煙未散的刺鼻氣息。
初步統計，此戰，斃傷蒙軍超過一萬五千人，其中陣亡者近萬，俘虜約五千。
蒙古本部騎兵和精銳怯薛軍傷亡慘重，史天澤、嚴實所部漢軍也元氣大傷。
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