1947年1月23日，經過長達四個月的戰鬥，華中野戰軍和山東野戰軍正式合并為華東野戰軍，陳毅擔任司令員兼政委，粟裕擔任副司令，譚震林擔任副政委，其中副司令粟裕負責具體的戰役指揮。
此時國民黨剛經曆過宿北戰役，魯南戰役的失敗，十餘萬國民黨軍被粟裕消滅幹掉。蔣介石派國民黨國防部參謀總長陳誠坐鎮徐州，接替連敗兩陣的薛嶽，陳誠剛到徐州，就下達了訓示：“
黨國成敗，全看魯南一役，隻許成功，不許失敗
。”
此時陳誠還沒有放棄臨沂，他認為魯南戰役之是以失敗，主要是各部隊分兵冒進所緻，陳誠為此制定“穩紮穩打，齊頭并進”戰術。陳誠以臨沂為中心，組織了兩個突擊集團，其中北線集團由第二綏靖區副司令李仙洲指揮，兵力為三個整編師（軍）共九個旅，自明水，周村，博山南下，向萊蕪，新泰，蒙陰一線攻擊，目标為山東解放區的後方基地。
南線集團，由整編第19軍軍長歐震指揮，兵力為八個整編師（軍）共21個旅，自台兒莊，新安鎮，城頭一線從南向北攻擊臨沂，還有八個整編師（軍）擔負隴海鐵路，津浦鐵路和膠濟鐵路沿線的守備任務。
陳誠還從冀南，豫北戰場抽調了四個整編師（軍），部署在魯南地區，打算在戰役打響後，阻擊劉鄧大軍增援，或者是阻止華野南下。
陳誠調集的總兵力加起來一共有十九個整編師（軍）49個旅共30萬人，其中直接攻打臨沂的有11個整編師（軍）30個旅，兵力還是十分強悍的。
陳誠趕赴徐州之前，蔣介石還交給了陳誠一張委任張，任命郝鵬舉為國民革命軍第四集團軍總司令。這個郝鵬舉本來是個土匪頭子，抗戰時投靠日本人，抗戰結束後，共産黨出于停止内戰的願望，改編了這支部隊，但是郝鵬舉又和蔣介石勾搭在了一起。1947年1月27日，郝鵬舉叛變投蔣，所屬四個師部署在海州外圍地區。
1月28日，徐州綏靖公署下達了作戰指令。30日，歐震指揮八個整編師分三路向臨沂進攻，吸取國民黨軍吸取了以往被分割殲滅的教訓，
采取集中兵力，穩紮穩打，齊頭并進和避免突出的戰法，每天的推進速度不超過十公裡。
為了保衛臨沂，粟裕指令三縱負責阻擊從正面阻擊中路之敵，想要尋找戰機殲滅敵人左右兩路中突出的一路。但是歐震沒有給粟裕這個機會，在
發現陳毅，粟裕的意圖後，立刻将左右兩路的部隊向中間靠攏，甚至直接停止前進，就地構築防禦工事，像個刺猬一樣縮在一起，國民黨軍的過分謹慎使得粟裕找不到突破口。
2月4日，北線的李仙洲集團先頭部隊已經占領了萊蕪，推進速度也很快。也是同一天，軍委發來電報，建議必要時可放棄臨沂，誘敵深入，尋找戰機，以争取作戰主動權。
此時的陳誠可以說是信心滿滿，雖然之前國民黨軍在蘇北，蘇中，魯南損失了20多萬的兵力，但是陳誠認為，隻要占領物産豐富的蘇皖地區，并将華野全部擠進到山東，完全可以看作是戰略上的勝利。
雖然敵人重兵雲集，但是陳毅和粟裕發現，歐洲的南線部隊密集推進，謹慎緩慢，但是
北線的李仙洲兵團卻孤軍冒進，相對于歐洲兵團，李仙洲兵團的實力也要弱很多
。李仙洲兵團在深入解放區後，經常受到地方武裝的襲擾，後勤補給線壓力很大，王耀武不得不派三個師的兵力，專門維護從吐絲口到萊蕪，新泰一線的漫長補給線。
在這種情況下，陳毅，粟裕果斷決定放棄臨沂，先打北線之敵。
粟裕決定由二縱，三縱留在臨沂，扮演華野主力，牽制南線的歐震兵團，剩下的幾個主力縱隊全部秘密北上，準備殲滅北線的李仙洲兵團。
2月7日，華野二縱進攻駝峰鎮，塔埠，讨伐叛變的郝鵬舉，張震親臨一線指揮戰鬥。僅僅一天多的時間，就殲滅了郝鵬舉所部，活捉了郝鵬舉。此時距離郝鵬舉叛變，還不到十天的時間。
2月15日開始，華野主力正在快速北上，二縱，三縱在完成阻擊任務後，放棄臨沂，繼續牽着南線歐震集團的鼻子走。南線集團攻占臨沂後，歐震給蔣介石，陳誠發報：
臨沂一戰，國軍精誠團結，浴血奮戰，殲敵6個旅，初戰告捷。”
其實在臨沂保衛戰中，華野一共才投入了六個旅的兵力。
對于解放軍的行動，山東省主席兼第二綏靖區司令長官王耀武看得十厘清楚，他認為陳誠和歐震肯定是在謊報戰況。
王耀武手下的情報員已經陸續給他送去了華野主力北上的情報，于是王耀武在沒有陳誠準許的情況，指令李仙洲兵團收縮兵力，不得繼續孤軍冒進。
陳誠在得知北線部隊後退後，立刻向蔣介石告了王耀武一狀，蔣介石又把王耀武痛罵了一頓，王耀武隻好一邊指令李仙洲兵團繼續推進，一邊繼續收集華野的情報。
在王耀武指令李仙洲兵團收縮兵力的時候，陳毅和粟裕确實緊張了一下，深怕部隊跑了這麼長的路，卻讓敵人逃脫了，有些将領已經建議提前發動進攻了，但是蔣介石的指令讓陳毅和粟裕松了一口氣。
2月19日，蔣介石在南京國民黨軍官訓練團作出了演說：“現在關内的匪軍約可分為五倍……此五部中，就我的觀察，以陳毅一步最為頑強，訓練最精，詭計最多，肅清最為困難。但自國軍收複蘇北攻克臨沂以後，陳毅已失其老巢，就再不能發生過去一樣大的作用了。”
2月19日，國民黨軍的空中偵查和王耀武手裡的情報都已經很明顯了，王耀武的情報員回來報告，華野一縱一師在萊蕪以西等了三天，同時還發現解放軍在魯村集結，
王耀武被吓得出了一身冷汗，立刻下令46軍火速撤到萊蕪，和73軍合力固守，同時指令73軍和77師經過博山南下歸還建制，以免兵力分散，被各個殲滅。
粟裕在獲得敵情變化後，決定提前發起進攻，指令一縱進攻李仙洲兵團總部和73軍，四縱進攻顔莊的46軍，六縱九宮吐絲口的新36師，八縱主力和九縱殲滅博山以南的77師，十縱攻占錦陽關，切斷國民黨軍的後退。
20日黃昏，
萊蕪已經聚集了46軍和73軍兩個軍的兵力，粟裕原計劃用五個縱隊來包圍萊蕪，但是到這個時候，隻有葉飛的一縱到達了萊蕪。葉飛沒有猶豫，果斷指令部隊對萊蕪發動進攻，
牽制萊蕪的國民黨軍主力。一縱進攻萊蕪，牽制李仙洲兵團主力的同時，王必成指揮華野六縱進攻吐絲口鎮，這裡是李仙桃集團的後方基地，儲存了上百噸彈藥和數十萬斤糧食，拿下吐絲口，就切斷了李仙洲集團的退路和濟南方向的增援。
23日淩晨，萊蕪城内的國民黨軍開始撤退，46軍的軍長韓練成是地下黨，他找了一個借口溜了出去，然後就神秘失蹤了，緻使46軍群龍無首。此時解放軍的部隊都已經陸續到達，一線作戰兵力和李仙洲兵團兵力大緻相等。
從萊蕪到吐絲口鎮距離15公裡，李仙洲集團的五萬多國民黨軍帶着全部火炮，卡車，辎重，擁擠在這條道路上。此時國民黨軍空軍司令王叔銘親自坐鎮，指揮20多架戰機為地面部隊保駕。
粟裕指揮華野特種兵縱隊的重炮猛烈轟敵群，又指令一縱，四縱，六縱不要顧忌敵機轟炸，堅決地沖上去，靠近敵人。我軍從四面八方包圍了上來，
5萬餘敵人被壓縮在南北5公裡、東西3公裡的一片沙河低窪地帶
。
國民黨軍隊陷入了一片混亂，指揮系統也陷入了癱瘓。僅僅三四個小時，解放軍就結束了戰鬥。
24日，蔣介石秘密飛到濟南，一進城，就對王耀武劈頭蓋臉一頓大罵：“
你們隻是在萊蕪這個戰役裡就損失了兩個軍，一個師，損失了這麼多的輕重武器，增強了敵人的力量，以後就更不好打了，這樣的失敗是恥辱。
”王耀武被罵的一點脾氣都沒有，不敢說一句話。
這場戰役中，真正的惡戰其實并不多，主要戰役在一片混亂中結束了，華野的武器裝備又換了一茬。王必成的中野六縱18師全部換成美式裝備，16師也有兩個團1個營為美式裝備，17師49團為美式裝備，51團有1個營又兩個連為美式裝備。王耀武後來也氣得大罵李仙洲：
“5萬多人啊，3天時間就被消滅光了，就是放5萬頭豬，叫共軍去抓，3天也抓不完啊。
”
此戰，曆時63小時，華東野戰軍傷亡8800餘人，殲滅國民黨軍1個“綏靖”區前進指揮所、2個軍部、7個師共5.6萬餘人，其中俘虜四萬餘人，如果算上南線及膠濟路東段的作戰，共殲國民黨軍7萬餘人。解放博山、淄川等13座縣城。
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