1947年5月下旬某日，南京军官训练团。
在第三期研究班上，蒋介石说：“我自张师长（灵甫）殉职以后，立刻命令前方（沂蒙山区）部队停止进攻，同时召集各将领来彻底检讨、彻底研究、彻底改正我们部队的作风和习惯，重新决定我们的战略战术。必须等到我们全军经历一番起死回生的改造之后，才能做进一步的打算。”然后又像赌咒发誓似的说，“沂蒙山区之战，是我们革命军人生死存亡的一战。挽回颓势，把握胜利，就要从这一战开始。”
为此，蒋介石起用日本战犯冈村宁次为顾问，提出了“并进不如重叠，分进不如合进，以三四个师重叠交互前进”的指导方针，重新编组进攻兵团，将进攻部队主力9个整编师共25个旅摆成方阵，调集在莱芜至蒙阴不及50公里的正面上，准备发动新的进攻。
5月22日，中共中央军委电示陈毅、粟裕、谭震林、陈士榘、张云逸、饶漱石、邓子恢、黎玉，指出：“歼灭七十四师付出代价较多，但意义极大，证明在现地区作战，只要不性急、不分兵，是能够用各个歼击的方法，打破敌人进攻，取得决定胜利的。而在现地区作战，是于我最为有利，于敌最为不利的。现在全国各战场——除山东外，均已采取攻势。但这一切攻势的意义，均是帮助主要战场山东打退敌人进攻……而山东方面的作战方法，是集中全部主力于济南、临沂、海州之线以北地区，准备用六七个月时间（5月起），以六七万人伤亡为代价，各个歼灭该线之敌。该线击破之日，即是全局大胜之时，而后一切作战均将较为顺利。”27日，中共中央军委又指示：“应集中兵力于待机位置，等敌行动判明后，再定歼击何部。”
5月28日至6月2日，沂水西北的坡庄。华野召开了团以上干部会议。会上，饶漱石作了关于准备反攻、迎接胜利的报告，陈毅作了关于山东战局和军事问题的报告。会议着重指出：国民党集重兵于山东，虽然加重了华东军民的负担，却给其他战场实施反攻创造了条件。目前除山东、陕北以外，我军均已转入反攻，国民党处在崩溃的前夜。山东的战局，在孟良崮战役后虽已得到改善，但尚未完全取得主动，敌人正积极准备再次大举进攻，我们要继续在内线作战，要准备进行恶战。会议认真总结了孟良崮战役的经验教训，强调必须继续坚决执行中共中央军委、毛泽东关于运动战、歼灭战的方针，戒骄戒躁，彻底粉碎国民党军的重点进攻，争取转变战局，配合其他战场反攻作战，并为本身转入反攻创造条件。
各部队在休整中，普遍传达了坡庄会议精神，进行了形势任务教育；结合全面总结围歼敌整编第七十四师的作战经验，实施了山地攻防战术训练和射击、爆破等技术训练；整顿了战斗组织，补充了兵员。各级部队都成立了侦察营和通信营，各团成立了担架连，以适应大兵团集中机动作战的需要；团以上单位成立了后方勤务部（处），以统一供给卫生部门的领导，加强后勤工作。此外，各部队还进一步整顿了随军民工组织，明确提出了随军常备民工的管理方法，以加强对前线的支持工作。
6月25日，蒋介石的所谓“鲁中决战”开始，其部队向鲁中山区发起攻势。26日午后，蒋军飞机把悦庄、南麻一带炸成一片烟海。
华野拟以第六纵队向临（沂）蒙（阴）公路出击；以第四纵队奔袭费县，破坏敌人后方补给线；以第七纵队佯攻汤头，迫敌分兵回援；主力集结在沂水、东里店一线待机。恰在此时，军委来电：“蒋军毫无出路，被迫采取胡宗南在陕北之战术，集中六个师于不及百里之正面向我前进。此种战术除避免被歼灭及骚扰居民外，毫无作用，而缺点则是两翼及后路异常空虚，给我以放手歼击之机会。你们应以两三个纵队出鲁南，先攻费县，再攻邹（县）滕（县）临（城）枣（庄），纵横进击，完全机动，每次以歼敌一个旅为目的。以歼敌为主，不以断其接济为主。临蒙段无须控制，空费兵力。此外，你们还要准备在适当时机，以两个纵队经吐丝口攻占泰安，扫荡泰安以西、以南各地，亦以往来机动歼敌有生力量为目的。正面留四个纵队监视该敌，使外出两路易于得手。以上方针，是因为既然敌正面绝对集中兵力，我军就不应继续采取集中兵力方针，而应改取分路出击其远后方之方针。其外出两路兵力，或以两个纵队出鲁南，或以三个纵队出鲁西。”
华野对军委这一指示进行了研究，决定立即执行军委提出的三路分兵方针，具体部署是：（1）由叶飞、陶勇率领第一、第四纵队越过临蒙公路向鲁南挺进；（2）由陈士榘、唐亮率领第三、第八、第十纵队向鲁西的泰安、大汶口方向挺进；（3）正面部队第二、第六、第七、第九纵队和特种兵纵队集结在沂水、悦庄公路两侧，各以少部兵力与东犯之敌接触，主力待机出击。华野将这一部署在6月30日上报军委的同时，命令各部队立即于7月1日执行。
6月30日夜，刘伯承、邓小平率领晋冀鲁豫解放军主力，一举突破黄河天险，揭开了全国解放战争战略进攻的序幕。为配合刘、邓大军作战，陈毅、粟裕指挥华东野战军第一、三、四、八、十纵队，组成强大的外线兵团，直扑津浦线，威胁国民党军后方基地兖州、徐州。蒋介石则慌忙把整编第五师、第四十八师、第八十三师、第八十五师、第五十七师、第六十五师和第七军共七个整编师调回津浦路增援，整编第十一师、整编第九师、第二十五师、第六十四师仍在鲁中山区固守要点。
7月2日，中共中央军委复示电华东野战军：“30日电悉，布置甚好。”并指示陈、唐兵团，“以越过莱芜直打泰安及其南北之线为宜。得手后收复肥城、东阿、平阴、宁阳、汶上、济宁，与刘、邓直接联系。而后应准备出鲁西，与刘、邓协同打陇海路，出淮河，展开新局面。”“必须在七天或十天内，以神速动作攻取泰安南北及其西方、西南方地区，打开与刘、邓会师之道路。”3日，中共中央军委又电示华东野战军：“你们西进、南进之五个纵队，应以攻占泰安至临城全线，尽歼该线之敌为第一目标。胜利后，再攻占该线以西各地。如行动迅捷可能达此目的，与刘、邓打成一片。”这个指示，已由令陈、唐兵团策应晋冀鲁豫野战军出击，演变为直接协同晋冀鲁豫野战军作战，使这次分兵成为华东野战军执行外线出击任务的开始。
夜色朦胧，华野第四纵陶勇和王集成部挺进在蜿蜒曲折的山路上，他们跨过蒙阴公路，又经过四个昼夜急行军，到达费县附近。
费县是兖（州）临（沂）公路上的要点，东至临沂，南至峄县，西往曲阜，北到蒙阴，四面皆山，岗陵峦嶂起伏。其城墙厚5米、高4米，外砌砖石，内积黄土，筑有大量集团堡群，四周设有外壕、鹿砦和地雷。守敌冯治安部三十八旅，约6000人，善于守备作战。
陶勇和王集成研究敌情后，迅速召开作战会议，命令十二师主攻费城；十师肃清城东敌据点后向临沂方向警戒；十一师攻占城西，并向平邑、泗水方向警戒；三十一团为纵队预备队。
7月2日黄昏，四纵像潮水般攻击费县外围据点，解放了费县周围的广大农村，逼近费县县城。翌日，城里的敌人派出谈判代表，要求谈判。彭德清向陶勇报告。陶勇认定这是敌人的缓兵之计，意在故意拖延时间，遂毫不犹豫地决定当晚发起总攻，由十一师打援，十师、十二师攻城。
由于天下起了雨，爆破组几次上去都没有把城墙炸开。有的炸药被淋湿了，点不着；有的虽然炸响了，但因炸药包小，仅仅炸掉城墙外边的一层砖石。
主攻团两次组织进攻，都被敌三十八旅的密集火力挡了下来。
雨愈下愈大，一连下了两天，护城河里的水猛涨，又增加了攻击的困难。
陶勇亲临主攻团和战士们座谈，听一些战士检讨了轻敌思想。他们说：“我们原以为像七十四师那样的‘硬核桃’都被砸碎了，三十八旅这种杂牌部队不过是一砸就破的‘烂杏’。上次爆破的炸药包小了，下次来个大号的，非让敌人坐坐咱们的土飞机不可！”
经过两天的准备，陶勇也摸清了敌人的心理特点，重新组织突击力量。在7月6日拂晓再次发起总攻时，他挑选特等射手，先封锁敌人暗堡，掩护爆破组跃进。每包炸药都增加了分量，均在50斤左右。
敌人夜晚蹲堡，白天睡觉，哪知道陶勇部会以锐不可当之势进行猛烈攻击。还没等他们完全清醒过来，陶勇部队已从四面八方拥入城内，使敌人顿时失去了反抗能力。
这一仗，歼国民党军三十八旅全部，生俘旅长翟紫封以下5200多人，缴获的枪炮弹药难以计数。
战后，陶勇和军民一同打扫战场。忽然，空中传来嗡嗡的飞机声。大家仰头一望，只见从西南方向飞来十几架国民党运输机，在头顶上转了两圈后，投下了大批干粮和弹药。战士嘲笑说：“嘿，蒋介石这个运输大队长，办事可不含糊！我们刚打完仗，他就送慰问品来了！”逗得俘虏都笑了起来。
在四纵攻克费县的同时，第一纵队收复了枣庄、峄县；第三、第八、第十纵队攻克了泰安、平阴、肥城、大汶口等地。于是，蒋介石不得不急忙从鲁中地区调回7个整编师，约27个旅，进行回防。
为打破敌人的攻守计划，陷敌于首尾难顾，并与晋冀鲁豫野战军攻势相策应，华野前指命令内线四个纵队发起南麻（今沂源）、临朐战役，同时还令外线北路兵团的三个纵队向济宁、汶上攻击，南路兵团的两个纵队向津浦线上重镇邹县、滕县（今滕州）攻击。
四纵第十师于7月17日首先打响了攻邹战斗。因敌情不明，该师以两个营攻敌一个团，激战竟日未克。正准备增加兵力再攻时，叶飞令其于次日南下，配合一纵攻击滕县。
滕县位于津浦线兖（州）徐（州）段中间，是敌粮弹物资重要补给站，驻守着敌整编第二十师师部及炮兵团，第一三四旅旅部及四零零、四零一团和保安第六团等。
叶飞司令员决心以全部兵力投入攻城战斗，以第一师配属两个山炮连、一个高炮连攻击东关；第二师配属一个山炮连攻击南关、西关；第三师配属一个山炮连攻击北关；独立师攻歼官桥之敌，并担任向南阻援任务。
各师团从7月14日22时发起攻击，战至16日3时仍未取得突破性进展。
华野前委见到叶、陶外线出击已胜利达到调动敌人、制造敌人弱点的目的，当即命令陶勇四纵和一纵东返鲁南，进行连续、大规模地运动，以集中力量待机歼敌。
陶勇和叶飞接到前委指令时，敌两个整编师正并排向他们拥来，其先头部队离滕县仅20公里。陶勇和叶飞立即命令部队撤出滕县战斗，东向临沂。不料连日大雨，沂河水位猛涨，难以涉越，断了归路。
敌人又调集第七师、四十五师、五十七师、五军由东向西紧追，准备与已经赶到泗水的第七十五师等三个整编师呼应，夹击四纵和一纵。
陶勇和叶飞决心留下四纵两个团和一纵一个团，深入敌人背后周旋，迷惑牵制敌人。主力则趁敌人合围尚未形成，集中全力击破敌人力量薄弱的一处，杀开一条血路西进。
陶勇以极其信赖的目光和严肃的口吻对韩念龙说道：“老韩，你和卢师长带上两个团，和一纵的三团向东，担任掩护主力部队西进突围的任务。”
“是！”韩念龙连忙回答。
“你是政委，要作好战士们的思想工作。这三个团的装备不太好，任务却十分艰巨，一个师要拖住敌人几个军。你们阻击敌人两天后撤退，或向南或向北。”
接着，他又语气沉重地说：“老韩，这次任务很重要啊！”
“放心吧，陶司令，我们坚决完成任务！”韩念龙理解陶勇此刻的心情，说完便回身策马离去。由于奔跑太急，军帽被树枝刮掉了，他也顾不上，一路不回头。
陶勇唤通信员跑步去捡回韩念龙的军帽，将它珍藏起来。然后下令部队把大炮推入滔滔河水之中，准备轻装前进。
陶勇在即将和叶飞分头率队突围的时刻，眼睛不禁有些湿润。
四纵向东前进了一程后，突然将主力掉头向西，直插入微山湖和铁路之间。当敌人发现四纵主力西移时，即驱动重兵围追，妄图聚歼他们于枣庄西北、津浦路以东地区。
陶勇和叶飞率领四纵与一纵机动作战。恰逢雨季，山洪暴发，山区洪水源源不断涌来，小沟变成小河，小河汇成大川，遍地泥泞，寸步难行。从早到晚，头顶上乌云般的敌机狂轰滥炸，轮番扫射。但他们还是拖住了10万国民党军，边走边打，虚虚实实，使敌人靠近了怕被歼灭，离远了又怕对方跑掉。战士们说：“我们一、四纵队，这次可黏在蒋介石的鼻子上，他想吃吃不到，想扔又舍不得。”
五天五夜，部队里谁也没有解开过背包睡觉，战士们把眼睛都熬得通红。连续行军，背包里的东西都霉烂了。鞋跑烂了，就赤脚行军，双腿泡在泥水里，每走一步都像针刺一般。那些野战医院的女兵，衣服都被泡烂了，一到宿营地就脱衣躲在水里休息，趁机把湿衣服抖干，以便行军时穿着上路。
在抢渡沙河的战斗中，他们在河上拉起了两道由几十股电话线拧成的绳子。不会水的人，从上游浅一些的地方抓着绳子过河；会水的人，抓着下游河中的绳子，负责抢救上游被水冲下的人；水性好的南方人负责抢运物资。
渡过了沙河，部队又马不停蹄地奔向南梁河。暴雨倾盆，洪水暴发。陶勇、叶飞率领部队由此而过，滕县敌人闻讯而动。我军被国民党第五十七师死死缠上，往往走不上几里，就要打一仗。
一把米，开始从党员干部的手中传给体弱的同志，又从体弱的同志的小手中传给伤病员……
从沙河到梁河不过20公里，部队走了整整三天三夜，亦打了整整三天三夜。
为渡梁河，十二师彭德清掩护一、四纵队过河，他们坚守凫山一天一夜。凫山到泗河虽有30公里，但地势低洼，有不少沙河和水荡，雨季一久，平地陡涨3尺水。
渡河部队每人拿一根棍子，前面的人用棍子探找道路，后面的人把枪横在肩上，小心谨慎地一个个跟着。如不小心走偏一步，就会掉到沟里。通过水荡更是艰难，一脚踩下去，要费浑身劲儿才能拔出来，如果停下来，两只脚就陷下去了。有的人由于饿得没有劲儿，支撑不住，便栽在水里。
7月31日，部队越过水阔4公里、深至胸部的白马河洼地。8月1日，在陈、唐兵团的接应下，于济宁附近和外线五个纵队胜利会师。
这次艰苦卓绝的鲁南出击，是从死亡中走出来的，一、四纵队付出了惨重的代价，战斗及非战斗减员达2万人。
分兵后的华野北路兵团，在陈士榘、唐亮率领下；第十纵队宋时轮、景晓村部，第三纵队何以祥、丁秋生部，在第八纵队王建安部的配合下，分头猛攻汶上、济宁。
汶上是山东兖州西北的一个重要城镇。守敌系国民党军整编第八十四师的2个团和当地土顽，共4000余人。
第十纵队于7月14日自山东万德、界首南下，采取远程奔袭战法围攻该城。所属二十八、二十九师于17日22时从城东南、西北、西南角同时发起攻击，因受河水所阻，无法靠近城墙。19日，该部再次攻城，因临时架设的木桥被敌人炮火摧毁，后续部队无法跟进，未达战役目的。后得悉敌整编七十五、八十五师和十二、七十三军已进至邹县、泰安、曲阜、大汶口等地，为迎击西援之敌，该部于21日黄昏撤出战斗，转至汶上、济宁之间待机。
济宁是鲁西南的重要城镇。城内守敌为重建的整编七十二师和三十二师、七十师各1个团，外加5个炮兵营，共1万多人。
第三纵队于7月16日实现对该城的包围。24时，何以祥司令员下令各师发起攻击。部队在扫清敌外围据点时，进展都比较顺利。18日，攻城战斗打响。主攻东门的八师，几次爆破城门均未成功，便架梯攀城，结果被敌人打了下来。主攻城东南角的九师，架梯强行登城获得成功，七个连队突进城内。后因突破口被敌炮火封锁，后续部队无法跟进支持，致突进城内的干部战士全部壮烈牺牲。主攻南门的七师和主攻北门的八纵二十二师突击也都受阻。
后敌援兵逼近，7月21日，我军全部撤出战斗。
在华野外线部队连续出击鲁南和津浦路以西地区之敌的同时，驻守南麻（今沂源）及其附近地区的敌整编第十一师，已处于比较孤立的位置。
陈毅、粟裕都会心地笑了。陈毅风趣地说：“胡琏这是什么战术？缩头缩脑的，像只乌龟嘛！”
7月17日，华野留在内线的第二、第六、第七、第九纵队，在韦国清、王必成、成钧、许世友的指挥下，向守卫南麻的敌整编第十一师发起猛攻。
敌整编第十一师在南麻城外布下了一层又一层的铁丝网、鹿砦和地雷，并挖了几道又深又陡的外壕。阵地上，明碉暗堡密布，交通壕、暗沟像蛛网一样密集，将城内、城外连成一个完整的防御体系。他们凭借这些坚固工事拼命抵抗。
7月18日，第九纵队第二十六师向上下豆腐峪以南高地攻击，攻占荆山泉。第六纵队控制九顶山、凤凰山阵地，主力进至重喜官庄、埠下庄之线。第二纵队进至埠村南北一线。经18日整天战斗，敌除以一部坚守历山、观头崮据点外，其余主力退踞主阵地顽抗。第九、第六、第二纵队抢占外围阵地后，分别对高庄、北布东、马头崮、古泉庄、吴家官庄、石钱山等地展开猛攻。
由于华野缺乏重武器和攻坚经验，加上准备不足，仓促上阵，导致伤亡惨重。攻击部队被铁丝网、鹿砦、地雷和外壕层层阻拦，进展十分缓慢。成连成排的华野战士在整编第十一师的炮火下牺牲，幸存者也被猛烈的炮火压得抬不起头来。历尽艰辛打开的突破口往往很快就被炮火封死，攻下的阵地也因后续部队被敌炮火压制，不能及时增援，总是被敌第十一师用反冲击夺回。
随后，他们又遇上了雨季，弹药、粮食补给都出现严重困难，机动能力和攻击力也受到影响。部队冒着暴雨在泥泞中作战，显得十分疲惫，敌人的援军又在不断逼近，形势十分危急。
陈毅、粟裕经过深思熟虑后，毅然决定：放弃攻击南麻，迅速撤出战斗。
进入休整地区，许世友、林浩、聂凤智心情都很不好，他们为自己那么多干部战士流血牺牲感到内疚。许世友接通了粟裕的电话，说道：“报告首长，这次我纵出师不利。敌第十一师能打是个原因，但主要还是由于老天爷不帮忙，连降暴雨致使炸药受潮，使我们失去攻破敌人碉堡、城墙的杀手锏。”这位猛将越说越激愤，最后说，“胡琏这只狡猾的狐狸，这次免他一死，但他不会活得太久，下次我一定叫他碎尸万段！”六纵司令员王必成此时火气更大，他向干部战士说道：“国民党七十四师在涟水欠下的债，到孟良崮战役全部还清。十一师这次在南麻欠下的债，下次要叫他加倍偿还！”
南麻战役中，有次争夺高庄的战斗。
担负强攻高庄任务的为九纵二十五师七十三团。7月19日18时，在急风骤雨中，团长孙国盛命令三营向西山守敌发起攻击。该营爆破地堡连连得手，很快歼灭西山守敌。21日清晨，敌人为夺回西山，凭借强大的炮火掩护，分成多路，杀气腾腾地扑向我七十三团一营、三营阵地。两个营的干部战士打退了敌人的十多次反扑。为了保住阵地，仍坚守在西山一侧的三营营长王玉芝，命令18岁的营部书记迟浩田临危受命，担当了重新组织的九连代理连长。
21日上午，他们打退了敌人多次冲击。在下午的激战中，迟浩田肩部负伤。一发炮弹在迟浩田的队伍当中爆炸，七八个战士应声倒下，冲在最前面的迟浩田晃动几下身体，也仰翻在地上。
卫生员侯桂令迅速跑了过去，剪开迟浩田染满鲜血的衣帽，发现他头部、腿部被炸成了三处重伤，特别是右小腿被炸断的一根骨头依稀可见。侯桂令用绷带包扎好迟浩田的伤口，叫担架员将迟浩田抬至野战医院抢救。
然后侯桂令又穿过硝烟，向前奔去抢救其他伤员。不料，他刚跑出十来米，一颗炮弹在他的身边爆炸了。这位刚救过迟浩田的勇士再也没有站起来，结束了年仅18岁的生命。
当华野内线部队围攻南麻地区国民党军整编第十一师时，昌乐、潍县地区之国民党军第八军（欠四十二师）及保安第一师等部，共约九个团的兵力，正向临朐进犯，威胁华东野战军后方，策应南麻守军作战。7月22日，敌先头部队进至龙山、朐山一带。23日，敌第八军一部占领临朐城，阻断了华东野战军向胶济路北的后方通路。
7月24日上午，华东野战军决心乘敌第八军主力尚未全部到达临朐，立足未稳之际，以内线四个纵队歼敌于临朐及其东北地区。
下午，各纵队向临朐开进途中，突遇倾盆大雨，多数部队未能按时进抵攻击位置。
第二纵队六师十七团当晚才赶到临朐城下，匆匆投入战斗后，占领南关外围的十几所民房。此时，纵队主力在离城3公里的南北依庄一带。7月25日，六师攻击南关，未达任何效果。五师进城之后，十四团二营利用黑夜偷爆成功，于次日凌晨突进城内。但这7个连队进城之后，只顾向前推进，未肃清前进道路两侧的敌人火力点，结果被敌人封住了突破口，与敌激战3小时，大部伤亡。
第九纵队主力直到第二天拂晓才进至攻击位置。二十五师七十四团、七十五团仅用了半个多小时就攻进北关，随即与敌展开巷战，被敌沿街地堡火力所阻。团长王景昆见势，急令一营快速消灭地堡。爆破英雄史之才组织一连连续爆破敌地堡6座，为进攻部队开辟了通道。二十六师七十七团二营负责攻击西关，突破西关后，遭敌一个团的兵力反击，与敌拉锯20次，共歼敌600余人。七十六团从西角攻击，很快占领城外据点，但在攻城时遭敌多方向火力阻击，被迫停止进攻。后由于恶劣天气影响，炸药受潮，无法破城。
我军连续作战已达半月，干部、战士都十分疲惫，物资前送、伤员后运也很困难，华野首长遂决定撤出战斗。7月30日晚，华野各部队分别向胶济路北和诸城地区转移，结束了南麻、临朐战役。
1947年8月30日，毛泽东亲自给陈、粟发来了一份“绝密”电报：
目前的中心环节是在陇海南北积极行动，歼击及抓住五军五十七师，攻占一切薄弱据点，直接援助刘、邓……现在欧震、张淦、罗广文、张轸、王敬久、夏威各部均向刘、邓压迫甚紧，刘、邓有不能在大别山立脚之势。务望严令陈、唐积极歼敌，你们立即渡河，并全神贯注配合刘、邓。
陈毅记得毛泽东曾在上个月底发过一份极秘密的电报给刘、邓与华东，说明“陕北甚困难”。接到这份电文后，陈毅下定决心对粟裕说：“采取第二方案，争取早打。”
早在8月6日，中央曾决定由陈毅和粟裕率华野机关及第六纵队、特种兵纵队赴鲁西南，统一指挥第一、第三、第四、第六、第八、第十纵队和特种兵纵队及配合华野作战的晋冀鲁豫第十一纵队，统称西兵团。中央批准组成东兵团，由谭震林、许世友指挥。
而后，华野立即投入了新的行动准备，选择的路线是北渡黄河至山东惠民地区，从禹城附近越过津浦线，至阳谷、寿张地区。此时敌人已产生了错觉，误认为华野不能打了。国民党中央社称：“山东共军已溃不成军，不堪再战。”还向华野广播劝降说，“鲁西南共军已陷入绝境，南有陇海路，东有津浦路，北面和西面有黄河，四面被围，无路可走。”以前，敌军因连遭华野歼灭，行动一直很谨慎，现在骄狂起来了，一个团也敢一路尾随华野。
表面看来，华野活动范围小了，实际上这也为华野创造了战机。
为此，粟裕拟了两个作战方案：一是渡河后与陈、唐会合，休息几天，补充弹药、物资，恢复部队体力，再打一仗。二是在华野渡河之次日，由陈、唐部将敌诱至距华野渡河点以南三四十公里之适当地区，集中三个纵队，包围敌整编第五十七师或整编第六十八师，另以一个纵队钳制敌整编第五师；华野第六纵队、第十纵队赶去参战。这可出敌不意，易于取胜，且能迅速打开鲁西南局面，及时南下豫皖苏配合刘、邓大军。
接到军委8月30日的指示后，陈毅和粟裕认为应争取早打，便对第二方案进行反复商量，觉得协同问题可在战役中及时协调。于是给陈、唐发电，要他们执行第二方案，并于当日（30日）下达了“西字第一号命令”：令第十纵队于9月3日晚由孙口（寿张南）、马庄（张秋镇西南）渡过黄河，4日晚完成对郓城之包围而攻占之。第六纵队于9月3日晚在张秋镇东南渡过黄河，4日晚进入梁山以南地区。野直于3日晚随第十纵队渡河，于6日进至郓城西南15公里之王家楼与西兵团会合。西兵团于8月3日以第一、第三纵队自成武、定陶地区北来，诱引敌整编第五师、整编第五十七师、整编第八十四师等部北犯；以第四、第八纵队及晋冀鲁豫第十一纵队，尾敌向北，拊敌之后。同时于4日晚以一个纵队进至巨野、郓城之间，以保障第十纵队攻郓城之安全。兵团主力于4日晚进至龙固集、沙土集之线以北地区集结。
9月3日晚，陈毅、粟裕率野直、第六、第十纵队渡河，4日渡完，5日在郓城及附近集结并与第一、第三纵队会合。至此，华野第一、第三、第四、第六、第八、第十纵队，特种兵纵队及晋冀鲁豫之第十一纵队均已集结于沙土集南北地区，完成了集中兵力歼灭敌人的战役布局。
9月6日晚，指挥部召集了纵队领导干部会议，由陈毅主持，他让大家充分发表意见。粟裕则反复说明了早打的好处和取胜的条件，强调说：“只有打，才能有力地配合刘、邓，才能扭转现在的被动局面，部队才能得到补充和休整。打好了，鲁西南根据地就能重建起来。”经过民主讨论，大家一致同意首先歼灭敌五十七师。
在华野第一、第三纵队的诱引下，敌于9月初开始北犯，其部署是：以整编第五师为中央，自刘官屯、龙固集一带向北攻击。整编第五十七师为其左翼，整编第八十四师为其右翼，其余各部为策应，积极协同配合。9月5日，整编第五师进至郓城以南之雪家庄、富官屯、王老虎一线。整编第五十七师之六十旅进至郓城西南贾敬屯、耿家庄、徐家垓一线，该师之一一七旅则位于第六十旅之右侧。
敌整编第五十七师原是第九十八军。1945年6月，新四军在浙江天目山举行第三次反顽作战时，几乎将该军全部歼灭。此后，该军调苏北新（沂）海（州）地区，除原辖之预三、预四师外，又编入遭歼灭后重新整补的第一一七师。整编为第五十七师后，原辖师改称旅。1946年11月，宿北战役中，预三旅被华野全歼，预四旅改称六十旅。现在，全师共辖两个旅，一万余人，武器装备均为日式，较陈旧。但在这一段时间的作战中，该部已经骄狂失慎，贸然与整编第五师拉大了距离。
华野决定：以第八、第三、第六纵队（欠十七师）担负攻歼整编第五十七师的任务；以第四、第十、第十一纵队及第六纵队第十七师，担负阻击敌整编第五师及整编第六十八师的增援任务；以第一纵队为战役预备队。
9月7日，敌整编第五十七师频繁北犯，与整编第五师之间出现了20公里的空隙。华野立即抓住时机，发起攻击，令第一、第三、第六纵队向沙土集、双庙攻击前进，令第四、第八纵队由南向北发起攻击，实施南北夹击。敌整编第五十七师发现华野这一行动后，迅速向南撤退，龟缩于沙土集。
沙土集是菏（泽）巨（野）公路上的一个村落，东西长2公里半，南北仅1里许，周围筑有土墙，墙外有壕，北面有一片沙地，因地势较高，壕中无水。壕外有鹿砦两道，并有地堡，可与围墙上火力配合。庄内亦筑有地堡、掩体，以备巷战。敌五十七师以一个团分散守在外围村庄，其余全部麇集于沙土集村内。
当夜，战斗打响后，三纵以八师及七师二十团负责主攻沙土集及歼灭精良寺、马庄之敌，以九师布防黄镇集地区，打击可能由菏泽来援之敌。七师二十四团袭占马庄，全歼守敌，次日上午乘胜攻下精良寺，又歼敌一个加强连。
八纵二十二师六十四团向段庄、双庙之敌进攻。六十四团乘敌立足未稳，向徐庄猛攻，一举突入庄内，全歼该敌。
六纵十六、十八两师在八纵司令员王建安统一指挥下，直接参与围歼沙土集敌人的战斗；十七师归十纵队，由司令员宋时轮指挥，进抵单家海、丁里长、魏家楼一线，阻敌北犯，确保郓城安全。9月8日下午，十六师、十八师经日夜急行军，进至沙土集西北谷楼、宋坟、李楼、小屯地区集结，作好临战准备。
担负阻击任务的四纵、十纵及晋冀鲁豫野战军十一纵，亦快速进抵指定地域。四纵在龙固集、李集、柳林集地区构筑工事，严阵以待，分割了敌五十七师与五师的联系，使五师不敢贸然西援。十纵和六纵十七师在宋时轮指挥下，全力控制郓城及其东南、西南地区。二十八师布防于郓城西南马家屯、梁家店、化家营地区；二十九师以一部控制郓城，其主力部署于苏家店、陈家集、大厂、解家洼一带；十七师进入单家海、余里河及其以东地区驻防。8日至9日，敌五师四十五旅、二零零旅自丁里长、单家海一线北犯，向华野二十九师、十七师阵地猛烈攻击。华野八十五团于大厂、八十六团于解家洼及大厂以北阵地顽强抵御，击退敌人多次冲击，牢牢守住阵地。
敌五十七师师长段霖茂没想到华野如此迅速将其包围，在指挥所里暴跳如雷，责骂手下军官指挥战斗不力。
9月8日下午，在王家楼指挥所，陈毅、粟裕下达了聚歼退守沙土集之敌的命令。18时许，三颗红色信号弹划破灰暗的天空，沙土集被华野的猛烈炮火炸得烟尘翻滚，许多敌人被撕成碎片，碉堡、房舍的砖瓦被掀上了天空。华野指战员们似潮水从四面拥向沙土集。
9时10分，暗示攻击开始的白色信号弹的亮光还没有熄灭，村北门就传来了闷雷一样的爆炸声。突击队仅用3分钟时间就撕开了突破口，接着，二营、三营都冲了进去。二十四团及二十团相机突进。守敌来不及抵抗，大都成了俘虏。八纵二十三师六十七团向东门勇猛冲击，于9日1时突入村内，与守敌展开巷战。该纵二十二师六十五、六十六团各一个营亦由东门攻入村内，协同六十七团向敌猛攻。二十师六十八团继续在庄外战斗，歼灭了据守魏庄的敌人。由于三纵、八纵的迅猛攻击，迫使敌人狼狈溃退，妄图从西门突围。
正在西门准备攻击的华野六纵十六、十八两师发现守敌外突，即以五十二团快速出击，迅速歼灭突围之敌先头部队，并趁势攻入西门。五十三团亦迅速投入战斗，协同五十二团分路向东猛攻，并以一个营向北进攻，接应十六师部队。
这个小小的沙土集村子像一口开了的锅，枪声、喊声从四面八方向外扩张着。突破口上拥挤不堪，战士们押着成队的俘虏走向村外。俘虏们也被全副“武装”起来，他们抬着重机枪、迫击炮，背着卸掉枪栓的长枪，走下战场。行列里还夹着十几匹高大的洋马，使队列更加热闹壮观。
9月9日凌晨，沙土集战役结束，华野全歼敌五十七师1万余人，其中俘敌中将师长段霖茂、少将旅长罗觉元及以下官兵7500余人。
郓城沙土集战役的胜利，对于整个南线战局的发展有极大意义。中央获悉，致电华野并向西兵团全军将士致电慰问。