根据国民党军兵力分布及其内部派系情况，华野司令部决定：第一步，歼灭李仙洲总部及第73军，12军主力于莱芜附近；第二步，歼灭进占新泰的第46军；第三步，进击胶济线，歼第96军，并于15日16时，发布了作战预备命令．战役第一步部署是： （1）以第八，九纵队组成右路军，由许世友，王建安指挥，歼灭和庄及其南北地区的敌人，并准备截歼可能由博山南援之敌，随时准备向南扩大战果。（2）以第四，七纵队组成中路军，统一归陶勇指挥，歼灭颜庄，蒙阴寨地区的敌人。（3）以第一，六纵队组成左路军，统一归叶飞指挥，歼灭莱芜，口镇地区的敌人。（4）以第十纵队（附独立师）主力控制锦阳关，阻击明水敌人南援，堵击李曲洲集团北逃。（5）为如强北线力量，又从南线调第二纵队（留一个师在临沂）于14日夜北上参战，准备阻击第46军北援。（6）鲁中军区部队统一归第二纵队韦国清指挥，战斗预定于18日发起。
为保证战役的胜利，华野政治部于2月16日发出了《华东野战军莱芜战役政治工作指示》（代电），号召全军不怕疲劳，不怕牺牲，连续作战，大量歼敌。粉碎国民党军南北对进计划。各部队按照这一指示精神，进行了深入的政治动员和周密的战斗组织工作。
南线我军于15日主动放弃临沂。这时，敌第二绥靖区司令王耀武十分警觉，对我军行动发生怀疑，他既怕我军围歼孤军深入的李仙洲集团，又顾虑济南兵力空虚，因而于19日命令李仙洲集团全线后缩：第46军由新泰缩据颜庄；李仙洲总部率第73军主力退至莱芜城，第12军主力由莱芜、口镇退至明水，其新编36师由蒙阴寨退至口镇。华野首长对上述情况进行认真分析后，认为敌情无根本变化，仍坚持既定计划，并定于19日晚12时发起战斗。
王耀武将其兵力全线后缩，蒋介石，陈诚错误地判断我放弃临沂是由于“伤亡惨重，不堪再战”，加上从空中侦悉我军由费县向西北运动，并在运河架桥，有西渡模样，认为我军开始总退却。于是一面令王耀武再度南进，确保新泰，莱芜，防止我穿过胶济线北渡黄河，并派有力部队插至蒙阴、大汶口之间堵我西去；一面命令南线整编第11、64师和第？军西进临城（今薛城），沿津浦路北上，兜堵我军。17日，王耀武按照蒋介石，陈诚的命令，复令第46军再占新泰，第73军的193师进占颜庄，其余仍位于原地。
18日，华野总部依据敌军再次调动的新态势，调整部署，发布作战命令：以第一纵队（欠独立师），第八、第九纵队（全部）攻歼李仙洲总部；以第六纵队一个师攻占和庄，阻击博山可能来援之敌，其余部队攻歼口镇的新6师；以第十纵队主力并附独立师抢占锦阳关，并歼灭上游庄新36师的一个团，策应第六纵队口镇攻歼；以第四纵队攻歼颜庄之敌；以第七纵队一部钳制新泰第46军，主力为华野总预备队，同时，令第二纵队兼程北上，接替第七纵队任务，由于部署变更，战役又推至20日晚发起。
19日，我各部队逼近莱芜、颜庄等地时，陈诚、王耀武才最后判明我有围歼李仙洲集团的意图．为避免被我各个击破，遂仓促将第46军由新泰后撤颜庄，第193师由颜庄退到莱芜城并令，在博山的第73军的第77师迅速南下莱芜归建。此时，我军已全部完成战役包围，国民党军要想摆脱围歼，为时晚矣。
我军根据上述敌情变化，对战役部署又略作调整：以第八纵队一个师协助第一纵队攻击莱芜城；以第八、九纵队主力（各两个师）迅速进至和庄荫蔽待机，伏击由博山南下归建的第77师，其余各纵任务不变，为使蒋军不过早察知我军部署而进一步收缩兵力，伏击第77师的战斗预定20日15时打响，其余统于20日黄昏发起攻击。
奋勇歼敌，李仙洲集团覆灭
20日拂晓前，我第八、九纵队各两个师埋伏于和庄、普通（村庄名）两侧地区，和庄位于博山城南30里、莱芜城东北60多里的地方，周围山高谷深，博（山）莱（芜）公路由此穿过，上午10时许，由博山南下的敌第77师全部进入我设伏地区，待其后尾脱离青石关后，我预伏在大英章峪的鲁中军区警五团迅速占领该关，断其后路。11时，我预伏部队从四面八方对敌发起攻击，战至16时，敌人被我压缩于和庄、普通两村庄内顽抗。18时，我军发起总攻，至23时，全歼和庄敌军，随即又向普通村敌人发起攻击，至12日拂晓，敌77师大部被歼，残部向青石关方向突围，被我鲁中警五团全歼，在战斗中，敌师长田君健被我击毙（另有臼戕，受伤后下落不明两说），战斗结束，我第八纵队主力奉命参加攻击莱芜的战斗，第九纵队主力于和庄一带驻守待命，伺机进击博山，张店。
当77师被我围歼时，李仙洲曾令第193师派兵北上增援，但发现我各路大军已逼近莱芜城，又急忙缩回，同时，从博山南下救援第77师的第二绥靖区特务旅的一个营，进至青有关时，被我第九纵队歼其一部。
20日晚，在攻歼第77师的同时，我主力于全线发起攻击。第一纵队各部于17时开进至准备攻击位置，24时向莱芜城发起攻击，第一师由北向南攻击，第二师于城东北机动，第三师从西向东攻击．经彻夜战斗、攻克莱芜外围的大小曹村，安乐山（400高地），矿山（468高地）一部和北铺、小洼、吴家花园等据点。第六纵队于16时进入口镇南、北两面的准备攻击位置。20时，第16师由西南面，第18师由北面，第17师一部由西北面向口镇发起攻击。经过彻夜反复争夺激战，扫清了口镇外围，从南门打开缺口突入镇内，并向两侧及纵深发展，但由于敌人顽抗，我攻击部队向东发展受挫，至天明，战斗来获进展。第四、七纵队因行军道路交叉，影响开进，未能如期到达阻击位置；第十纵队一部抢占了锦阳关，切断敌人北逃的退路，并攻击上游庄以北大寨、青业庄，歼守敌新36师第107团一个营大部，至此，李仙洲集团已陷于我重重包围之中。
21日晨，我军全线开始攻击后，李仙洲即令第46军北撤莱芜以南地区，向第73军靠拢，华野即命第四，七纵队迅速插至莱芜，颜庄之间，钳击第46军。第七纵队一都将该敌阻于莱芜东南的安仙庄、南冶地区，同日，莱芜敌军向我第一纵队巳得阵地进行猛烈反击，经反复争夺，我小曹村，矿山高地得而复失，我扼守安乐山（400高地）的二团八连，英勇战斗，连续击退敌人七次猛扑，守住了阵地。其中，坚守小洼的战斗最为酷烈。小洼位莱芜北二里，西邻矿山，东面有一个高坡，地势低洼，地形极为不利。但坚守小洼，既能保证我攻占矿山的友邻部队的侧翼安全，又能截断莱芜与口镇敌人之间的联系，因而敌军数次反扑，妄图夺取小洼。驻守小洼的我第一纵队第一师第一连，在敌机轰炸扫射及矿山、莱芜两面火力的压迫下，从上午10点至下午3点，顽强抵抗两千多敌人的连续轮番冲锋，多数连排干部都牺牲成重伤，仅存的一个排长王国栋，主动指挥战斗。最后，奉命撤出小洼时，只剩三十六个战士，但他们毙伤敌人一个背以上，胜利完成了任务。同日，青石桥敌新26师第106团南援口镇，在枣园一带被我第六纵队第17师及鲁小军区警四团于运动中包围全歼，敌98军暂12师及绥区独立团白文祖南援，被我第十纵队击溃，歼其一千余人；上游庄敌新36师第107团的两个营，攻我锦阳关阵地，被我第十纵队歼灭一部，残部向东北逃窜，21日下午，我第六纵队继续攻击口镇，敌新编第36师108团负隅顽抗，我强攻未下。
此时，敌第46军撤至城南吴家岭一带，华野首长意欲乘敌两个军尚未靠拢之机，予以分割围歼，决定以第一，八纵队攻击莱芜，以第二（正在开进途中），四、七纵队攻击吴家岭，于22日晚发起攻击。
22日上午，敌情发生变化：第46军退入茱芜城与第73军汇合，其一部占领城北小洼、北埠庄等地，第73军一部占领了城西北矿山，南白龙等地．鉴于敌两个军集中莱芜，华野首长估计其有固守莱芜或向北突围的两种可能，遂决心改以第一、七、二（尚未到达）纵队组成西突击兵团，由第一纵队司令员叶飞、政委谭启龙统一指挥；以第四，第八纵队组成东突击兵团，由第八纵队司令员王建安、政委向明统一指挥；以第六纵队主力继续攻歼口镇之敌，以一个师位于口镇以南山头店，崔家庄一线布防，堵击北窜的敌人，并确定如敌固守莱芜，则从东西两面对敌发起强攻；如敌向北突围，则在莱芜，口镇地区，以东西兵团合击，歼敌于运动中，原定22日晚发起攻击，因第二，七纵队尚未赶到，故延至23日晚实施。但第一纵队因联络中断，未接到命令，当晚仍按原部署攻击南白龙的敌人，激战竞夜。同日，我独立师赶抵锦阳关地区与第十纵队会合。
莱芜城内，敌两个军猬集，城小人多，军心慌乱，王耀武顾虑李仙洲集团孤立无援，如被歼灭，将使济南和胶济线受到极大威胁，于21日晚电令李仙洲迅速向明水方向突围，李仙洲召集部下开会研究，他认为敌前突围不利，主张固守待援；少将高参王为霖等则认为固守失败，责任难负，力主突围，最后通过突围主张，在突围时间上，李仙洲主张宜早不宜迟，第73军军长韩浚主张22日晨突围，46军军长韩练成则以需要作准备为理由，力主23日突围，最后决定23日晨六时行动。
23日清晨，敌于莱芜城东关集结，准备突围。此时，韩练成接受我敌工干部的秘密劝告，放弃指挥，脱离其部队。敌因等候韩练成不至，迟至8时方才出发。敌第73军在左，第46军在右，在十几架飞机的掩护下，沿莱芜至口镇的两条公路并列向北突围，并由第7 3军的第193师担任左侧卫，第46军的第188师担任右侧卫。
我华野首长及时查明了敌突围部署，在莱芜、口镇之间布成南北长三十里，东西宽十余里的口袋形阵地，决定待其后尾脱离莱芜、矿山阵地后，围攻全歼敌军。10时许，敌先头部队进至芹村，高家洼一带，即遭我阻击部队的顽强抗击。敌侧卫部队连续组织猛攻，企图突破我阻击阵地，均未得逞，又将后续部队前调，展开全力攻击。12时许，敌后尾脱离了莱芜城、矿山，我第四纵队立即抢占了该两处阵地，切断其后退之路。与此同时，我军以排山倒海之势，从四面八方向运动之敌发起全线总攻，首先粉碎了敌人的突围与顽抗，继而以小股部队勇猛插入敌阵，将敌分割为碎块，打乱了敌人建制，使其丧失了抵抗力量，我军战士猛打猛冲，大量毙俘敌人，有的团以二十四人伤亡的代价歼敌六千余人，有一个四人战斗小组俘敌八百余人。这样以少胜多，以小的伤亡获取大的胜利的事迹到处可见，激战至17时，除第73军军长韩浚率一千余人窜入口镇外，其余全部被歼。李仙洲左腿受伤被俘。韩浚及千余敌人会同口镇残敌近五千人向博山方向逃窜，逃至青石关，即被我第九纵队全歼，韩浚被我生俘，敌新36师师长曹振铎于混乱之中脱逃，至此，李仙洲集团七个整编师被我全歼，24日，中央军委。毛泽东主席致电祝贺。
钳制阻击，积极配合作战
在华东野战军主力于莱芜地区围歼敌李仙洲集团时，我南线阻击部队以及胶东、渤海等部队，都对当面敌人进行了有效钳制和顽强抗击，有力地配合了莱芜作战。
我留南线担任阻击部队，除华野第二、三纵队外，还有华野总部骑兵团、华东军区特务一团及鲁南十师、滨海地方部队等。以华野参谋长陈土榘为首组成了南线指挥所。2月11日，南线指挥所发布“鲁南前线作战方案”，决定第三纵队、骑兵团及滨海地区武装，统归第三纵队司令何以祥、政委丁秋生指挥，在沂河以东地区，钳制中路及右路敌人；第二纵队在临沂至卞庄公路面侧地区，钳制左路敌人；鲁南第十师担任钳制台儿庄、韩庄方向的敌第33军和第24军；特务团归指挥所指挥，担任临沂城防务。我军各阻击部队，遵照指挥所的命令，开赴指定地区，采用截击、伏击、袭击等作战方法，英勇抗击敌人，配合地方武装和群众，破坏公路，阻滞敌人；还以主力部队、地方武装及民兵结合组成精干的游击侦察队，深入敌后，扰乱、打击敌人。这些作战行动，有效地迟滞了敌人的北犯。
从13日开始，南线三路敌军猛犯临沂，至15日上午11时，在遭受我军抗击后，占领了临沂空城。这时，敌军一面大肆吹嘘其“辉煌胜利”，一面向临沂外围扩张，巩固临沂，再图北犯。据此，参谋长陈士榘指示特务团在临沂以北地区以小部队反击、夜间袭击等方法，打击敌人，阻其北进；指示第三纵队和第二纵队（主力已北上参战）第五师等部队撤至临沂以北的临蒙路两侧地区，占据有利地形，准备阻敌北犯。与此同时，陈毅、粟裕首长又电示已北进至费县以北地区的第二纵队主力，就地监视临沂的敌人。17日，驻守临沂北关的敌第83师以一个团沿临（沂）蒙（阴）公路北犯，被我击退；18日，敌第67师沿台（儿庄）潍（县）公路北犯，遭我袭击，19日退回临沂，其他出扰敌人亦同样遭到我军的有力打击。
19日，我北线战役即将打响，敌业已判明我军北上企图。此时，临沂周围地区敌军已集结五个师（其余部队有的西调津浦线，有的维扩后方交通），我南线指挥所估计敌可能迅速北援，遂下达“予备作战方案”，部署特务团（归三纵指挥）在临沂以北地区，担任正面抗击任务；三纵八师，二纵五师在临（沂）蒙（阴）公路东西地区，配合特务团从两翼抗击敌人，此外，还分析了敌人的其他进攻之可能，作了相应的部署。北线战役打响后，我南线部队，一面按照上述部署，对敌人实施了坚决的抗击；一面和地方武装、民兵组成武工队，深入敌占区，配合敌后武装开展游击战。从而有力地配合了我华野主力于北线的作战。
