在江苏战场上,战斗爆发前,北洋第五师在韩庄前线仅驻有两营兵力,由旅长方玉普率领(方升任旅长后尚未接任,实际上只是担任团长职务),五师其他部队散处各地,尚未集中。张勋屯兵兖州,跃跃欲试,但并未南移。连袁世凯也认为江苏第三师师长冷遹“向顾大局”,命令“五师严守准备,未可轻进”^[1],尚无主动南侵之意。在讨袁军方面,同样也无起兵准备。这与江西战场上早已两军对峙的情况不同。所以,冷遹到南京参加军事会议,讨论起兵讨袁时就指出:“我的军队尚散在四乡剿匪,南京一宣布讨袁,山东边境的北军势必进攻,我若把不住第一线,怎么对得起各位?”^[2]
        冷遹于南京宣布独立之前回到徐州,仓促地收拢部队,于7月15日占领利国驿。16日晨,冷遹未待全师集中,也未待一、八两师北上,即以孤军率先投入进攻,企图一举占领韩庄。方玉普率部抵抗,坚守待援。江苏第三师攻击竟日,未能得手。17日晨,冷遹加强了前线的兵力,继续发动猛攻。正酣战间,张勋武卫前军统领张文生率部来援,田中玉部巡防营随后也到达韩庄前线。江苏第三师遭北军夹击,被迫退守利国驿。
        张勋自辛亥年败退兖州以来,时时妄想复仇。这时,张部成了江苏战场上北军的主攻部队。对于这个封建余孽,黄兴竟企图利用他的忠君思想,策动其反袁,希望他“率一旅之众,直捣济南”^[3],这实在是一个在政治上无益的举动,当然不可能改变张勋仇视革命的顽固立场。
        7月18日,北军转入反攻。袁世凯调兵遣将,支援前线。是日,北洋第五师十九团由团长潘鸿钧率领,步行二百里赶到韩庄,炮五团团长郑士琦也自济南率步兵一营、炮队一连赶到前线,将利国驿车站轰毁。北军兵力加强,讨袁军后援未到,被迫撤出利国驿,扼守二郎山口。19日,富有战斗力的讨袁军主力第八师由刘建藩率领抵达前线,向敌军左翼实施反攻,激战一昼夜,包围敌军一部。北洋第五师将两营后备队全部投入战斗,才突围后撤。是日上午,讨袁军江苏第一师一支队开赴前线,声势大振,再度向敌反攻,迫使北军撤退到利国驿附近。讨袁军前锋一度追过运河。
        但是,讨袁军兵力不足,未能扩大战果。22日,北洋第四师何丰林旅开抵前线,北军实力加强。张勋所部马队绕道台儿庄进击徐州东路,威胁讨袁军侧背。讨袁军在徐州北的柳泉—茅村之间与敌激战,态势不利。这时,江苏第三师张宗昌部马队在北军策动下竟率先后退,扰乱了讨袁军的阵线。讨袁军全线溃退,放弃徐州,直奔蚌埠。
        北军于7月24日未遇抵抗,占领徐州。讨袁军尽管建制完好无损,但高级将领们斗志消沉,无意部署节节抵抗。一、八两师奉命撤回南京。第三师则军心涣散,冷遹脱离部队回到南京,旅长伍崇仁等退守浦口,向北军接洽投降。只因北军进兵迟缓,才使战事处于间歇状态。
        当讨袁军在徐州北鏖战之际,上海讨袁军因幻想和平接管制造局,因而迟迟没有开战。这样就使北军于抵沪之后,赢得了半个多月的准备时间。临战之前,郑汝成放弃了龙华分局以收紧兵力,集中力量坚守总局。他又迫使原驻局内的六十一团、三十七团撤往局外,防止发生内应事变。北军日夜兴工,加强防御工事,决心坚守待援。
        对于上海战局来说,更为严重的是,海军倒向了北军一边。海军自烟台回沪以后,态度就有所变化,但在上海开战前,依然“人心甚活”^[4]。当7月16日吴淞要塞司令姜国梁宣布独立时,海军总司令李鼎新曾派舰队会同步队一营往攻吴淞,“乃兵舰多不赞成,愿守中立”^[5]。于是,袁世凯政府又派人持京、沪外国银行汇款一百四十万两运动海军官佐。应瑞舰长毛仲方、楚有舰长魏子浩因不赞成参战,被迫辞职。7月18日,飞鹰舰奉命上驶九江,企图驶进吴淞口时,遭到吴淞炮台的攻击,军舰受伤。这样,海军与讨袁军就对立起来。上海开战之后,海军总司令李鼎新指挥舰队协助郑汝成攻击讨袁军,从而使讨袁军遭到意外袭击。
        陈其美鉴于沪上各军力量不足,不得不向南京请援。南京方面看到上海行动不力,影响大局,只好从镇江赵念伯的三十二旅拨出一团支援上海,于7月19日到达;又把南京的福字营调回上海,于22日到达。福字营为刘福彪统带,辛亥革命时由上海游民分子组成,1912年间由程德全将该军调赴南京,有炮一营,步二营,但实力不足。刘部到沪后,陈其美将福字营改编为特别敢死队。至此,上海讨袁军的兵力部署大体完成。
        23日凌晨2点55分,战幕揭开,上海讨袁军向北军驻守的制造局发动进攻。六十一团、三十七团攻击制造局西栅,福字营助攻,松军、镇军攻击望道桥制造局正门。北军死战,海军发巨炮压制讨袁军火力,沪军炮兵营被摧毁,讨袁军的进攻遭到挫折。北军凭借既设阵地,发挥训练有素的技战术优势和火力优势,成功地以微小的代价击退了讨袁军的进攻。讨袁军由于军官缺乏战术素养,士兵缺乏战斗训练,队形密集,射击不准,攻击乏力,自清晨3时一直战斗到上午11时,攻击无效,伤亡累累,不得不暂时停止进攻。
        上海战事爆发后,列强明显地支持袁世凯。租界当局于当日悍然议决将黄兴、孙中山、陈其美、岑春煊、李平书、沈缦云、王一亭、杨信之八人逐出租界。列强外交人员通过各种途径,向袁世凯政府透露讨袁军的军事秘密。
        23日夜,讨袁军因白天攻击不利,发起夜战,但依然未能奏效。郑汝成看到讨袁军攻击受挫,士气不振,顿时猖狂起来。他函致南市商团威胁说,如果陈其美不取消司令部,他就要进攻南市。陈其美为避免南市商场遭到战火破坏,遂将司令部迁往闸北南海会馆。
        24日晚,讨袁军依然出师不利。红十字会会长沈仲礼、英国医生柯司在驻沪领事团支持下,向讨袁军运动停战,但谈判没有结果。25日晚,双方续有战斗。翌日,驻沪领事团与工部局西董会议,再次干涉中国内争,竟出通告宣布:“或在本界,或于本界以北毗连各乡,不准作为行军根据及阴谋计策中点之用。两方面之中国兵弁,无论何方,均须迁出本界北乡之外,以免战事波及本界,而保卫各国守分商民之安宁。且军事领袖与有连带者,无论何党,或文或武,亦应由本界及本界北乡立即迁出,如违定行提究。”^[6]显然,这是租界当局打击讨袁军的严重步骤。27日晨,租界工部局借口闸北中国商人请求保护生命财产,派遣总巡捕卜罗斯率马队三十余人侵入中国地界,开往闸北南海会馆和湖州会馆,驱逐讨袁军。蒋介石所率原六十一团一部约二百零七名讨袁军为英军缴械。于是,闸北一度为英、美军队控制。
        28日晚,讨袁军对制造局北军象征性地发起最后一次进攻,很快就脱离了战线。这一天,海军总长刘冠雄率领舰队护送北洋第四师李厚基旅南下,三天后陆续抵达制造局。讨袁军遂由龙华向七宝一线退却,制造局解围。7月31日,浙江都督朱瑞派遣浙军开赴上海支援北军。松军被迫辗转撤往吴淞一带。进攻制造局之役至此完全失败,上海讨袁军被迫侷守江湾—吴淞一隅。
        还在上海讨袁军进攻制造局刚刚受挫的时候,一度蛰居的程德全又重新活跃起来。他看到讨袁军到处失利,败局已定,遂于7月25日发表通电,声明南京独立的一切文电,是“假用德全名义号召”^[7]。他又与应德闳联名通电声称:“17日抵沪后,即密召苏属旧部水陆军警,筹商恢复。”^[8]并宣布在苏州行署办事,从而在政治上给南京独立以沉重的打击。驻苏州江苏第二师师长章驾时于南京独立后即弃职赴沪,旅长朱熙代理师长职务,这时接受程德全指挥。翌日,镇江也接受程德全命令宣布取消独立,沪宁铁路当局也奉北京交通部的命令停止通车,宁、沪的联系被截断了,二次革命的中枢南京陷入了腹背受敌的严重局面。
        黄兴坐镇南京,面临着军事形势恶化,一筹莫展。程德全于7月26日致电黄兴,要黄“取消讨袁名义,投戈释甲,痛自引咎,以谢天下”^[9]。28日,南京军界接到了程德全取消独立的密电,南京卫队营长张鹏翥更接到程德全捉拿黄兴的电令。张把程的电令报告了黄兴。黄兴看到败局已定,悲愤万分,企图自杀,经部下一再规劝,遂于是夜乘日轮静冈丸离宁,一走了之。他本拟赴沪,因无法上岸,遂随轮前往日本。临行之际,他嘱陈之骥维持南京秩序,免遭乱兵蹂躏。黄兴走后,讨袁军重要将领章梓、洪承点、冷遹也相继离去。于是,南京陷入了“三军无主”的局面。
        黄兴出走的同一天,没有上任的讨袁军大元帅岑春煊也在上海发表声明:“自问对于南北两方面,无非以维持和平为惟一宗旨,不料两方决裂,竟以兵事属之。鄙人业已迭次坚辞,未肯承认矣,试观上海一隅,战端甫开,伏尸遍地,目不忍睹,耳不忍闻。如果各省纷纷效尤,内乱不已,酿成瓜分,吾辈何可自为祸首乎?现在谣言繁多,若不去沪,无以自明心迹。”^[10]岑随后即离沪赴粤。
        7月29日,即黄兴出走的翌日,代理江苏民政长蔡寅、第八师师长陈之骥、代江苏第一师师长(原第一旅旅长)周应时等当即宣布取消独立,并立即发电与袁世凯联系,要求程德全、应德闳回到南京处理善后事宜。南京独立运动黯然瓦解。8月2日,孙中山看到宁、沪失利,不得不离沪赴粤,希望在广东坚持讨袁。于是,二次革命的核心地区失去了精神支柱,整个二次革命战线很快就全线瓦解了。