激戰一天後，國民黨軍後續部隊第44師、1師、51師相繼壓了上來，對紅軍形成了合圍。為了實現殲敵一部，打回根據地的計劃，下午4時，徐向前集中兵力，向敵右翼薄弱處34旅實施反擊，重創該旅，並擊傷其旅長羅啟疆。但敵憑險據守烏頭觀，使紅軍的反擊未獲全功。傍晚時分，雙方形成對峙。張國燾此時提出：紅軍向西南由半樂河渡漢水，到鄂西活動。
21日，戰局繼續惡化。敵集中兩師一旅兵力向紅軍陣地猛攻。一股敵軍突破紅軍防線，逼進紅四方麵軍總指揮部。徐向前等立即將機關和警衛人員、通信部隊共300餘人投入戰鬥。當此危急之時，紅11師師長倪誌亮、政委李先念立即率部緊急馳援，與敵一番激烈廝殺後，將敵擊退，解了總部之危。
激戰至傍晚，敵後續部隊肖之楚44師從雙河場攻來；胡宗南第1師從北麵沿襄花公路疾進壓迫過來；範石生51師也隨之進逼過來，前堵之敵劉茂恩65師和馮鵬翥67師亦依托沙河，進入預定堵擊地點，當麵之敵形成了對紅軍的合圍陣勢。
為了擺脫四麵受敵的危局，紅四方麵軍總部遂放棄殲敵一路的作戰計劃，急速率全軍從西北方向連夜突圍轉移。至此，紅四方麵軍力圖在外線尋機殲敵，伺機打回根據地的計劃已無法實現，反第四次“圍剿”完全失敗。
22日上午，紅四方麵軍主力到達棗陽附近的土橋鋪地區。敵65、67師依沙河堵擊紅軍。時敵第1師、51師也從兩側奔殺過來。當此危急時刻，徐向前果斷決定，殺開通路，向西北方向敵薄弱處突圍。前衛紅11師32團在團長林維權率領下，冒著敵人密集的炮火，勇猛衝殺，與敵激戰一日，終於打垮阻攔之敵，占領了土橋鋪一帶大沙河陣地。林維權團長在戰鬥中英勇犧牲。紅73師和11師第31團也分別擊退了兩側夾擊之敵，殺開了一條通道。接著，紅軍迅速進行了整編，撤銷了少共國際團，分別補入各師。帶不走的武器全部毀掉或埋藏。對數以千計的難以帶走的傷病員，張國燾無可奈何地搖著頭將他們遺棄在陣地上，率隊而去。大部分傷病員被追敵趕至，慘遭殺害。隻有少部分傷病員克服重重困難，曆盡千辛萬苦才返回鄂豫皖根據地。
臨時中央在1933年3月15日給鄂豫皖省委的複信中，批評了張國燾等人拋棄傷病員的嚴重錯誤：“你們對於傷病兵的處理，真是不可容許的罪惡。第一次想把傷病兵捆起來，將他們拋棄；第二次又將他們關在一個祠堂之內，又企圖拋棄他們；第三次又想將傷病兵的糧食奪來另行分配。這樣行動的結果，使一萬多傷病兵（這裏的傷病兵數字有誤，決不可能有那麼多，因為張國燾帶走的紅軍總數才20000餘人，此時紅四方麵軍並未損失過半。）回到蘇區的僅有2000多人。”
張國燾在《我的回憶》第三冊中也承認：“尤其是一千個以上的傷兵就地被拋棄的事情，使全軍十分痛心。遺棄傷兵的事件，迅即成為全軍議論的題目，大家都極感痛心。有的檢討沒有根據地作戰是不智的，要求迅速脫離敵人追擊，以期有喘息的機會。又有不少士兵動了思鄉之念，想著不如仍回到自己家鄉鄂豫皖區去打遊擊，就是死也希望死在本鄉。”
22日夜，紅四方麵軍通過大沙河和襄花公路，繼續向西北轉進。新集、土橋鋪兩戰，是紅四方麵軍轉移外線後進行的兩次激烈而又重大的戰鬥，殲敵3000餘人，自身傷亡千餘人。這兩仗都是在張國燾強令紅軍東奔西突的被動局麵下，倉促應戰的。紅四方麵軍在徐向前指揮下，雖然衝破了敵人的重圍，但是未能予敵以殲滅性打擊，亦未能扭轉紅軍的被動局麵。