漳州戰役，福建本土軍閥張貞遭受了重創，從此一蹶不振。廣東軍閥陳濟棠害怕迅速壯大的紅軍會危及到自己，在蔣介石的煽動下，糾集了20個團的兵力，趁我主力紅軍外圍作戰，中央蘇區空虛之際，向我贛西南地區節節推進。
六月六日，中共臨時中央發布軍事訓令：紅一、五軍團主力應先與河西紅三軍團相呼應，解決入贛的粵敵，在可能的條件下，佔領梅嶺關，再沿江北上，佔領贛州、吉安、樟樹，以爭取南昌為目的，贛州如一時不能攻下，可先爭取吉林安，同時應以一部兵力牽制臨川、南豐線與樟樹、吉水之敵。
六月八日，毛澤東、聶榮臻、葉劍英等人出席在福建上杭召開的軍事會議。會議根據中革軍委的指示，決定一、五軍團經廣東梅縣南下，計劃於月底回到贛南。
七月二日，紅三軍團主力在大庾附近擊潰粵軍第一師四個團，潰敵退至大庾布防。四日至七日，三軍團多次強攻未果，雙方形成對峙。與此同時，粵軍第十四師、十五師向大庾急進，第三、四、五師也向南雄集中，企圖南北夾擊紅軍主力。
七月八日，紅一方面軍總部發出了《準備殲滅由南雄出犯之敵張枚新師的命令》，命令紅五軍團殲滅進抵南雄之張部，同時打援，相機奪取南雄城。
七月八日上午，由陳伯鈞、朱良才指揮的十五軍與粵敵張枚新第四師在水口附近遭遇，遂發生激戰。當日下午，紅五軍團在董振堂、肖勁光的率領下，及時趕到黃坑附近，得知烏迳之敵已沿湞水南岸向西退卻，遂改向水口方向截擊。一路擊潰敵兩個團，敵退至水口布防。由於天色已晚，紅五軍團停止了進攻，雙方沿河相對。九日，粵敵增援部隊六個團由南雄悄悄進抵水口，加上原敵四個團，該處敵軍的兵力已驟增至十個團。而紅五軍團沒有察覺，仍將敵當成四個團來打。
晚上，董振堂與肖勁光、趙博生、劉伯堅等軍團首長在指揮部內召開作戰會議，三軍和十三軍團以上乾部均到會參加。政委肖勁光首先作了戰鬥動員：“同志們！這是我紅五軍團自成立以來，第一次單獨作戰。我們要保持寧都起義的榮譽，向兄弟部隊看齊，為了蘇維埃的勝利，不惜一切犧牲，堅決消滅這股敵人……”。接著，董振堂對明日的戰鬥作了詳細的部署：“今天我們成功地將敵人攔在了水口，紅一軍團正在行進途中，離此地大概還有兩天的路程。我們要設法拖住這股敵人，穩紮穩打。還有一點需要提醒一下，粵軍的戰鬥力大家清楚嗎？其團隊在各自為戰時很頑強，輕易不會繳槍，其指揮官之間也沒多大矛盾和隔閡，一般都能相互支持作戰，所以我們必須謹慎對敵。估計敵、我明天必有一搏，因此我命令十三軍擔任正面的防守，徐軍長（徐彥剛）率三軍在湞江南岸迂迴，隨時從側翼打擊敵人……”
第二天一早，敵人倚仗其猛烈的砲火，向我十三軍前沿陣地撲過來，戰鬥進行地異常激烈。紅軍將士英勇拼殺，反復與敵人爭奪每一處陣地。戰場上硝煙瀰漫，屍橫遍野。敵人數次出動成團的兵力進攻未果後，便把矛頭指向南岸的紅三軍。時劃歸五軍團指揮的紅三軍不善防守，幾個回合下來傷亡較大，尤其是該軍第八師的干部傷亡殆盡，部隊一度失控。三軍軍長徐彥剛同政委、參謀長都上到前線與敵肉搏了，情況岌岌可危。關鍵時刻，軍團長董振堂親率警衛連增援上來，只見他右手揮舞大刀，左手持槍，槍打刀劈，硬是將已突入陣地的敵人打了回去。
戰至中午，敵人毫無退跡。參謀長趙博生從十三軍陣地匆匆趕回指揮所，對董振堂說道：“老董，看來水口敵人不止四個團吶！”董振堂將血跡斑斑的外衣往旁邊一甩，邊挽袖子邊說：“先不管那麼多，仗已打成這樣了，誰退誰吃虧，先設法拖住這股敵人，待一、三軍團趕到，給他們'包餃子'！”這邊正說著，外面警衛員跑進來報告：敵人又進攻了！
董振堂抄起望遠鏡來到觀察口，只見敵人漫山遍野沿湞江兩岸又攻了上來。董振堂扭頭對趙博生說道：“老趙，敵人很兇呀。”趙博生笑了笑，道：“湘軍虎，粵軍狼啊！”董放下望遠鏡，咬咬牙說：“咱們這次要逮住這條惡狼，狠揍一頓，打得它永遠也不敢再踏入蘇區半步！”說完，董振堂抄起傢伙就要出去，趙博生將手一攔道：“老董，上哪去？”董振堂望著老戰友，急切的說道：“都什麼時候了，老趙！三軍那邊傷亡很大，我必須去那邊現場指揮。”趙博生再次攔住了董振堂：“上午的事我已經知道了，你那樣幹是不對的，你是軍團總指揮，應該呆在這裡操縱全局，三軍那邊由我帶隊增援！”
董振堂搖搖頭，懇求道：“你戴著眼鏡目標大，你別再與我爭了！”
趙博生從容地擦了擦他那副眼鏡，對身邊的警衛戰士說道：“你們都聽著，給我看好了總指揮，不許他再踏出指揮所半步！”說完即帶著幾個參謀匆匆趕向三軍陣地去了。
董振堂緊接著要跟出去，幾個警衛員便齊刷刷地攔在門口，也不搭理他。董橫眉一皺，剛要發怒，警衛排長馬金福流著眼淚說：“總指揮，參謀長交待過，您一上陣地准在第一線，太危險了，今後不許您這麼幹下去啦！”董振堂氣得無話可說，扭頭回到桌邊，一拳狠狠地砸在了桌上。
下午的戰鬥更加激烈，敵人如潮水般一波接一波，絲毫不給紅五軍團一點喘息的機會。趙博生在三軍陣地上指揮戰鬥，左臂中彈負傷，仍堅持不下火線。激戰一直持續到晚上七點，粵敵才停止了進攻。董振堂急切的趕到前線，找到擔架上的趙博生，兩位老友的手緊緊握在了一起。董振堂仔細察看了趙的傷勢，深情地說道：“老趙，好好養傷，戰線已經穩定下來，陳毅同誌已率獨三、六師趕過來了！”
趙博生躺在擔架上，無力的點點頭說：“一點輕傷，流血很少，不足掛慮。”一同前來的劉伯堅主任也說道：“我們已向中革軍委電告，要求火速增援，老趙，好好休息吧……”
等醫護人員將參謀長送往後方，董振堂才稍稍緩了口氣。
第二天拂曉，粵敵又開始了進攻，在獨三、六師的配合下，董振堂沉著應戰，指揮部隊利用湞江兩岸的有利地形，給敵以一次次沉重打擊。
曾任國防部長的耿彪將軍（時任紅三軍第九師參謀長）對這兩天的作戰有深刻的回憶：
……九日晨，全線打響。余漢謀急令第四師固守待援，令獨三師和獨二旅馳援水口。當時我們三軍已經包圍敵人兩個團，並完成了分割。但中午時分，敵人援兵趕到，戰場形勢立刻起了變化。我們九師的陣地在湞水南岸的高地上，三個團已全部投入戰鬥，陣地多次得而復失，而敵人越打越多。在早晨打響時，我們九師包圍了一股敵人，據情報說是三個連。這無異“雷公打豆腐”，不必費多大力氣。接著，二十七團報告攻擊得手，彭熊師長即前出，令二十六團向左翼展開，他親率預備隊二十五團在正面出手，我與朱良才政委收拾指揮所，準備跟進。我們邊收拾邊說，三個團收拾三個連，用不了多長時間。誰知話音未落，彭師長派人下來，說敵人不是三個連，而是三個營，命令我將直屬隊調上去。我們大吃一驚，急忙按他的命令，將所有人員統統投入，以期盡快解決戰鬥。
敵人越殺越多，八師的陣地上，戰鬥尤為激烈。連、團幹部大部分傷亡，陣地被敵人佔領，我們九師的正面，一下子成了焦點，敵人的兵力，迅速增到三個團。師長這時也從火線上下來了，讓我趕緊向軍部求援。可是軍長、政委、參謀長都已投入戰鬥。軍團總指揮董振堂的軍衣，已被炮火撕成襤褸，他乾脆甩掉軍衣，只穿一件白褂，親自與敵人格鬥，揮大刀在敵人堆裡廝殺。這時我才知道，三軍所對付的敵人，其確切的兵力是九個團。
這時我們九師更加吃緊，二十七團團長陣亡了，二十六團團長、政委犧牲了，二十五團團長殉職、政委重傷。師長彭熊也負了傷，被擔架抬走了。我也負了傷，子彈打盡，幸有一把馬刀護身，才殺回了師部。
朱良才政委抱著一支長槍，把文件電報都揣在身上，身邊只有幾個通訊員了。他說，參謀長你快去組織戰鬥，代理團長。我說應該是兼團長。朱政委也不及分辨，連說，對，兼團長，馬上組織二十七團支撐住，同時讓二十六團、二十五團收攏。
我冒著彈雨沖向火線。這時，陳毅同志領導的獨三師、獨六師已經趕到，他們一看到戰場上的危急場面，未等命令就立即殺入重圍，這才形成對峙。
我到戰場後，根本無法組織戰鬥，只找到五六個戰士，領他們衝殺一陣，找到了二十七團陣地。這時已是下午四、五點鐘，陣地上真是屍橫遍野、血流成河，敵我各自鳴金，朱政委命人送來固守待援的命令。可是我身邊只有五六個人，這樣怎麼固守？又怎麼發起反攻？我便叫一個班長去尋找二十七團的人，我寫一張紙條，籤上我的名字，叫他到各處去喊。不久，他就喊回來三十多人。我又派六個人，用同樣的辦法，先後找回了七、八十人。我把大家召集在一起，任命了連長，加固了工事，就地露營。
那天晚上我們是彈盡糧絕，小河裡的水都是紅的，一股血腥氣。戰士們只好忍著飢渴，互相挨靠著睡下。第二天早晨互相推醒投入戰鬥時，有的戰士發現自己竟和戰友的屍體睡在一起……
七月十日，毛澤東親率紅一軍團和紅十二軍趕到水口，他來到五軍團指揮所，召開作戰會議。在聽完肖勁光、董振堂的匯報後，又視察了敵、我兩軍的態勢，決定由林彪率領紅一軍團增援南岸的紅三軍，紅十二軍增援湞江北岸的十三軍，同時命令各部到達指定位置後，馬上出擊，不給敵以喘息的機會，堅決消滅敵人。
作戰部署完畢，董振堂謹慎地向毛澤東提出：“主席，我有點兒事想找您一下。”看到董振堂欲言又止的模樣，毛澤東笑了：“董將軍，有事儘管說喲！”
由於惦記著關押在瑞金的季振同、黃中岳等人，董振堂鼓起勇氣懇切的說道：“季、黃二人起義參加紅軍以後，雖有些舊習氣，發過點嘮騷，但據我所知，他們並無背叛紅軍的行動。再說寧都起義他們都起到了重大作用，思想是積極的，作戰也是勇敢的。我想，他們如確有背叛行為，我們當向全軍宣布，予以討伐，絕不姑息。若只是思想作風的問題，還望主席予以教導就是。他們對您都是信服的！”
這是一個十分嚴肅的話題，當時季、黃等人都關押在瑞金，還沒有宣判。而毛澤東一直是隨軍行動，不知道後方的處理結果，再加上他本人也正遭受著排擠，也就不好向董振堂表態。略為考慮後，他對董振堂說：“我們會查清此事，正確處理的，你要相信組織。在此之前，我希望你與博生同志要多做工作，穩定原西北軍同志的情緒。”
董振堂點點頭說：“請主席放心，我們一定全力做好這個工作！”
送走毛主席後，董振堂與肖勁光會同十二軍的領導，開始了緊張的戰前部署。
第二天，在兩路紅軍排山倒海的攻勢下，粵敵支撐不住，開始向後潰退。紅軍乘勝前進，很少拿槍的毛澤東也手握一支駁殼槍，加入了追擊的隊伍。毛澤東個子高大很顯眼，肖勁光看到後，趕緊跑上前去阻止：“主席，您這樣太冒險了！不能追了。”隨後命令警衛員保護毛澤東立即撤往後方。
毛澤東擺擺手說：“潰退之敵，追追何妨！”說著又衝了上去。肖勁光急了，趕上前去用手一攔，嚴肅地說道：“毛澤東同志！請你尊重我的指揮權！”毛澤東一楞，復又笑道：“你這個肖勁光，好霸道！我也是紅軍指揮員，你指揮你的，管我作甚！”說完又跑起來。肖勁光無奈，只得率警衛人員緊緊跟在主席周圍。
水口一役，敵我雙方共出動了四萬餘兵力，以紅軍的勝利而結束。此役共擊潰了粵敵20個團，斃敵三千餘人。據戰後統計，僅陣地前被紅五軍團指戰員用大刀砍死的敵人屍體，就有上千具之多。粵軍將領李漢魂（獨立第三師師長）在給陳濟棠的報告中提到：僅第五師、獨三師、獨二旅就損失官兵一千二百餘人，而傷亡慘重的張枚新第四師還沒有包括在內。此役沉重地打擊了粵敵，從此以後，粵敵再也不敢與紅軍為敵了，從而徹底穩定了中央蘇區的南翼。但紅軍損失也十分慘重，僅紅五軍團十三軍就傷亡團級幹部七名、連排幹部損失近半、戰士一千餘名，參謀長趙博生右臂掛彩。此外，劃歸紅一軍團指揮的十五軍四十四師師長王鴻章同志，在此次戰役中犧牲了。
王鴻章，陝西人，早年加入西北軍，曾任二十六路軍第二十七師參謀處處長。寧都起義時，他堅決響應趙博生、董振堂等人的號召，率領七十九旅集體參加起義。加入紅軍以後，他思想進步，不久即加入了中國共產黨。率部先後參加了贛州、漳州戰役，在水口戰役中，他身先士卒，在率領隊伍衝鋒時，腹部中彈，英勇犧牲。幹部傷亡如此嚴重，此戰之慘烈可想而知，據時任紅五軍團政治部宣傳幹事的黃鎮回憶：
英勇的紅五軍團與數倍與我的粵敵精兵20個團血戰三天三夜。狹窄的一條湞水，血流成河，到處是屍體和受傷的戰士，山谷裡殺聲震天，塵埃蔽日。
親歷這次戰役的羅元發將軍也回憶道：
當水口之敵向我軍反攻時，師政治部主任劉型同志要我去前面隨部隊行動參加戰鬥。我一到前線，便隨部隊從側翼向敵人發起了進攻。戰士們都脫光了上衣，先是用槍打，子彈打光了，就扔手榴彈，然後舉著大刀向敵人衝過去。這是一場真正的肉搏戰，伴隨著“嘿！嘿！”的喊殺聲和刀槍的碰撞聲，戰士們越殺越勇。敵人被我們的大刀嚇壞了，打了幾個小時後，戰場上留下了橫七豎八幾百具敵人的屍體。大小河溝裡的水也被血染紅了，敵人驚恐萬狀，紛紛逃命……。
時任紅一軍團政治委員的聶榮臻回憶說：“水口戰役是著名的惡仗，雙方傷亡之大，戰場景象之慘烈，為第二次國內革命戰爭時期所罕見。屍橫遍野，對於這次戰鬥來說，並不是過甚其詞。”
這以後，紅五軍團又與紅一方面軍的另兩支主力軍團（一、三軍團）先後參加了樂、宜戰役，建、黎、泰戰役、金、資戰役。五軍團越戰越勇，1932年12月14日，在表彰紅五軍團及紀念寧都起義一周年之際，以朱總司令、王稼祥、彭德懷的名義發出嘉獎寧都起義官兵的通令：
“寧都暴動是中國蘇維埃革命中一個最偉大的暴動。它表示了在反帝國主義和土地革命的民族革命戰爭中，廣大士兵群眾的走向革命；表示了中國地主資產階級的武裝力量在目前革命日益發展情勢下的土崩瓦解。同時，增加了一支強大的武裝力量到革命方面來，成為紅五軍團，這是革命史上的一個偉大的光榮的一頁。因此，中央政府決定並通令各地舉行紀念寧都暴動，並給予領導寧暴的領導人董振堂、趙博生兩同志以全蘇大會所製定的最高榮譽的紅旗章，並給領導寧暴的各幹部以革命書籍多種，給參加寧暴的五軍團全體戰士以其它的慰勉與獎勵。”
接到嘉獎令，五軍團將士歡聲雷動。