葉挺重新集合經過休整補給的5000人部隊，戰斗力有很大恢復和提高。饒漱石提議由葉挺出面與顧祝同談判，葉挺勃然變色，表示決不可能。葉挺致電中央，請求中央“以全面分裂脅蔣，命顧撤圍。我等打到最后一人一槍。”
中共中央政治局決定并電告葉挺：“一切軍事、政治行動均由葉軍長和饒漱石二人負總責，一切行動決心由葉軍長下。”饒漱石立即向部隊宣讀中央電報原文。葉挺決定堅守石井坑，并重新部署部隊防御系統。敵軍發起新的總攻，戰斗慘烈。葉挺意識到最后時刻已臨近，開始焚燒文件，向中央發出最后一份電報，并致電夫人李秀文“絕命書”。在向劉少奇和陳毅發出告別電后，燒毀密碼，砸爛電臺。
蔣介石一面欺騙中共中央“已兩次電令顧祝同撤圍”，一面給顧下了“限即日解決皖南匪軍”死命令，向新四軍發起第三次總攻。隨軍的著名音樂家任光不幸犧牲，葉挺悲痛萬分。當天黃昏，敵炮彈已逼近葉挺指揮所周圍，葉挺決定組織部隊分散突圍。軍部首長分兩個戰斗組突圍，葉挺和饒漱石、項英和周子昆分別率隊突圍。分手時，葉挺和項英互道珍重，依依惜別。霎時間，兩組隊伍即被沖散，葉挺率部翻山到達西坑。
夜幕降臨，葉挺靜坐西坑山坡上沉思，數百名傷痕累累的指戰員陸續聚集在他身邊，葉挺命令大家隱蔽休息，準備在午夜突圍。午夜零時，新四軍十余名司號員吹響沖鋒號，血肉大突圍開始了。戰士們如猛虎下山，敵軍猝不及防，部分部隊突圍成功。葉挺放棄了部隊掩護突圍的機會，堅持與軍部共存亡，率領軍部在黑暗中摸索前進，極盡艱辛，數百名官兵又聚在他周圍。
三縱隊參謀長黃序周率軍特務團突圍時與葉挺等人相遇，立即要求掩護軍長突圍，被葉挺拒絕，命黃率其部隊迅速撤離。不久，敵一零八師派人上山要求新四軍下山談判，軍部決定派敵工部長林植夫前往試探。林植夫下山后一去不返，敵人發起新的進攻。葉挺如鐵塔般端坐山頭，任憑槍林彈雨。饒漱石以黨的名義命葉挺下山談判，葉挺悲憤絕望，忍辱負重下山。
葉挺率葉欽和等隨行人員下山后，即被敵人扣押。敵一零八師副師長出面接待，轉達上官云湘命令，讓葉挺下令新四軍投降，葉挺斷然拒絕。敵一零八師將葉挺轉交五十二師，師長劉秉哲勸葉挺將責任推給共產黨，遭到葉挺嚴詞痛斥。
葉挺被轉押至寧國軍集團軍司令部，上官云湘親自設宴勸降，被葉挺掀翻了酒席，不歡而散。上官云湘用汽車將葉挺押送到江西上饒第三戰區司令部附近李村單獨關押。
蔣介石搶先以國民政府軍委會名義發布命令，污蔑新四軍“叛變”，宣布取消該軍番號，將葉挺“革職”、“交軍法審判”。周恩來在重慶《新華日報》開“天窗”上憤然發表吊唁題詞和詩句，揭露蔣介石反共陰謀，“皖南事變”轟動世界。毛澤東起草《中共中央軍委命令》，任命陳毅為新四軍代軍長，劉少奇為政治委員。宋慶齡等知名人士也憤怒指責國民黨罪行。頃刻間，全國掀起抗議浪潮。蔣介石急忙命令顧祝同勸降葉挺。
即被扣押的第八天，葉挺開始寫作自述性文字《囚語》，回顧坎坷人生經歷和思想性格歷史，表達對皖南事變的悲憤心情，以及寧死不屈的決心。同日，葉挺夫人李秀文發來電報，囑他“應該為七個兒女珍重自惜”。葉挺回電稱：“軍人天職、人格重于生命”。但電報被戰區當局無理扣發。