在蘇中抗戰的前中期，粟裕指揮對日作戰的規模一般都不大，原因主要還是新四軍的力量尚不足以與日軍對拼，但到1944年初，蘇中的新四軍主力部隊已達到20個團，計3萬多人，並且集中進行過冬季練兵，技戰術能力都有了新的提高。這使粟裕認識到己方已經有了大規模主動出擊的可能。
1944年2月至3月，粟裕著手組織車橋戰役。此戰他集中了5個主力團，分別為蘇中軍區教導團、第四分區特務團、第一團、第七團和第五十二團，這些部隊均是蘇中新四軍的絕對主力，像第七團、教導團都可以獨立完成一場大的戰鬥，再加上地方武裝和民兵的配合，如此規模的攻勢作戰，在蘇中抗戰史上沒有先例。
粟裕是指揮大兵團作戰的高手，他有一個“組織戰鬥”的理論，其關鍵點就是實行大兵團作戰中的協同作戰。奉命參戰的5個團平時各打一處，作戰風格也不盡一致，粟裕就把互相瞭解、特點相仿的部隊，臨時編成一個建制，共編成三個縱隊、一個總預備隊，並適當調整了部隊建構和幹部配備。
車橋一帶皆為水網地區，粟裕發動3萬多民兵與群眾，在車橋周圍築路打壩，共築起穿越湖蕩、綿延達30裡的5條大壩，以便於部隊隱蔽接近車橋。此時新四軍在蘇北已經樹大根深，具備相當雄厚的社會和群眾基礎，可謂是一呼百應，與抗戰前中期已不可同日而語。築壩之外，粟裕又組織數以千計的船隻，把部隊、雲梯、擔架隊運到了車橋附近。
大戰之前，粟裕將師直機關分成前後兩個梯隊，其中一個梯隊北移，他自率一個梯隊南移，用來吸引日軍的注意力。當時無論是正忙於“清鄉”的日軍主力，還是守衛車橋的日偽軍，事先對他的作戰意圖及部隊調動均一無所知。
3月5日，攻城主力第七團遠途奔襲，從南北兩個方向直插車橋。粟裕對該團指戰員說：“成敗勝負，關係重大，哪怕敵人築了銅牆鐵壁，你也要給我砸開它！”
他事先為攻城部隊特製了一批攻堅器材，光用於登城的就有連環雲梯、單梯三角鉤、爬城鉤等多種，突擊隊泅水遊過外壕後，便藉助這些器材爬過圍牆，對通往街心的碉堡展開攻擊。
粟裕在車橋戰役中採用的是“掏心戰”戰術，即先進入街心，佔領鎮內的所有街道，然後四面開花，分割包圍，對周圍的碉堡逐一攻堅。在攻陷車橋的同時，前來增援的日偽軍也遭到伏擊，傷亡慘重。
車橋戰役共打死打傷日軍350餘人，僅第六十五師團就報告戰死69人，其中包括大隊長山澤大佐、機關槍中隊長金丸中尉。在這份報告中，紀錄有14人失蹤（實際已被俘），這是大反攻到來之前，敵後戰場上一次性戰役生俘日軍最多的一次。
日俘炮兵中尉山本一山供認：“這次戰鬥失敗，我們犯了輕視新四軍的錯誤。”說到這裡，他的目光中滿是敬畏，突然收緊下巴：“你們的粟裕了不起！”
粟裕在對日作戰中指揮的大規模戰役不多，戰績也因此受到影響，但這跟他的指揮能力並沒有關係。一方面是新四軍當時的實力還不足以應付這樣的大戰，另一方面上級的指導方針對他有很大約束。例如在粟裕將車橋戰役的經過報到新四軍軍部後，軍部起初竟然不是高興，而是十分擔心。主持工作的饒瀨石害怕這樣大動干戈，會不會“過分暴露了自己的力量”，從而像百團大戰那樣，引起日軍瘋狂報復，也給華中根據地來個“五一大掃蕩”。
車橋戰役所產生的效應，遠遠超出了預期。戰役結束不久，就發生了12名日軍集體上吊自殺事件。此後當粟裕揮師進攻車橋附近的日軍據點時，戰鬥都出奇地順利，日偽軍幾乎是望風而逃，像車橋那樣拼命死守或增援的事再也沒發生過。
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