1946年12月，蔣介石在其全面進攻占領張家口、淮陰等一些地區性中心城市後，不惜血本從其他戰場上抽調部隊，增強華東地區的進攻力量，作出了四路并進、南北夾擊我華東部隊的部署。
12月12日，根據敵人的部署，以陳粟為首的華東野戰軍指揮部上司分析認為，敵人此戰雖采取多路進攻、統一指揮且有近30個旅的兵力，但其部署也有弱點，即進攻正面寬達300多公裡，各部隊之間間隙很大。如其中一路受到打擊或圍攻，其他部隊則不能及時增援，很難取得戰役協同。客觀上講，國民黨部隊派系紛雜，勾心鬥角，沖突很大，為儲存實力，戰場上見死不救者屢見不鮮。
是以，指揮部最終拟定了先集中兵力打魯南一路敵人的作戰方案。就是先打敵整編第26師和第1快速縱隊，得手後再打其整編第59師和第77師等部：然後視戰局發展，尋機殲滅整編第69和第11師這股敵人。并乘勝打擊漣水、兩淮之敵，逐漸擴大戰果。
在确定以魯南為主、兵分兩路的作戰方案上報中央之後，宿遷一路敵人的進展之快超出想象。
據此，華野首長經分析研究認為：這一路敵軍中進展快的可能是整編第69師，該師師長戴子奇是蔣經國從蘇聯回國之後，在江西辦青年幹部訓練班時培養起來的，是國民黨軍中的一支新秀。
但這支部隊并非無弱點可循：抗戰勝利後，國民黨軍界一些元老，意在削弱蔣經國在軍界的勢力，将其青年軍大批複員、整編，隻保留了三四個師。69師所屬的3個半旅中，隻有第60旅及92旅的1個團是原來的建制部隊，預備第3旅原屬整編第57師，第41旅原屬整編第26師，部隊之間互有戒心，這在戰鬥中就會指揮不靈。
而且，整編第69師的3個半旅的配置很分散，該師和胡琏的第11師的進攻目标分别為沭陽和新安鎮，他越是前進，間隙就越大，便于我軍分割圍殲。宿遷以北地區地形開闊，多是平原，隻有烽山、嶂山幾個小高地，村莊小而密，沒有水壕城垣，大部分是土草房屋，也不堅固，敵人無堅可守。這裡的運河不能徒涉，當敵人到運河以東地區後，若将連結宿遷的唯一一座橋梁破壞，敵人隻好背水作戰。
我軍參戰部隊，雖然大多不充實，又無集中打大戰役的經驗，但是，正好配置在敵人進攻方向的兩側，不需作複雜的調整部署，就可迎擊敵人。同時，這路敵人位于四路敵人的中路，此戰勝利之後，揮師北上，再殲魯南之敵，也是個好方案。
陳毅司令員召集山東野戰軍、華中野戰軍和華中軍區負責同志粟裕、譚震林、張鼎丞、鄧子恢、陳士榘、唐亮（華野政治部主任）和劉先勝（華野副參謀長）等開會，大家一緻同意先打宿遷的敵人，而後再回師殲滅魯南之敵。
意見統一後，陳士榘和華野司令部的幾個同志研究了一個方案。拟集中3個縱隊、2個或3個師，共24至27個團，打敵人69師并11師1個旅：首先割斷敵整編第11師和整編第69師的聯系，集中優勢兵力。兵分兩路，東西對進殲滅整編第69師後，再打敵整編第11師。具體部署是：
以華中野戰軍第9縱隊（5個小團）及第5旅3個團相任正面阻擊，延緩整編第69師北進行動，為主力出擊争取時間。
以山東野戰軍第1縱隊、第8師為西路進攻部隊，由新安鎮以西地區過隴海路南下，再揮師向西，繞到烽山以西，用1個師的兵力直插曹家集，切斷敵由宿遷向東南方向的進路。破壞運河上的橋梁，切斷敵整編第69師師部與各旅的聯系，主力部隊由西向東進攻：先攻殲烽山、曉店子敵人，然後居高臨下向東攻擊，消滅敵整編第69師主力。
以山東野戰軍第2縱隊由東向西打，進攻目标為高圩子、來龍庵、人和圩、苗莊，消滅敵整編第69師的1個旅及師部直屬部隊。
以華中野戰軍第1師自鹽城方向急速北上，伺機加入戰鬥。
方案确定後，華野首長便分工組織指揮。陳毅司令員坐鎮指揮部。粟裕、譚震林指揮山東野戰軍第2縱隊、華中野戰軍第9縱隊、第5旅由東向西打。陳十榘和唐亮指揮第1縱隊、第8師，繞敵後由西向東打。
12月14日，敵整編第69師預備第3旅，進攻我五花頂以南的陣地，經我第9縱隊的反擊，退回嶂山鎮、曉店子，占領了烽山高地；敵整編第69師41旅占領了邵店，向東進攻葉海子我軍陣地，企圖策應第11師的行動，經我第5旅反擊退回苗莊，付家湖等地；敵整編第69師師部和1個團的部隊進至人和圩地區；敵整編第11師先頭部隊由曹家集向我來龍庵、小牌塘陣地攻擊，被我第9縱隊打退。敵整編第11師投入戰鬥，标志着這一路敵人已經完成了戰鬥部署，開始了進攻行動。
當察明敵人的具體部署後，華野司令部又給各部隊進一步明确了任務，下達了補充訓示：
華中野戰軍第9縱隊沿宿（遷）新（安鎮）公路、宿（遷）沭（陽）公路，組織運動防禦，15時前，確定來龍庵、五花頂等陣地，爾後，向敵整編第69師出擊，協同友鄰部隊殲滅敵人；
山東野戰軍第1縱隊、第8師急行軍，15日拂曉前進入新店子以北地區，向曉店子及其南北地區之敵實施突擊，切斷進至嶂山、曉店子地區之敵向宿遷方向的退路，爾後由西向東組織進攻，以主力部隊包圍曉店子敵人，并攻擊殲滅之，爾後向東攻擊；
山東野戰軍第8師進攻烽山、蟑山之敵，爾後也向東攻擊前進；
山東野戰軍第7師于15日拂曉前，經西鮑家圩，南渡沭河向嶂山鎮方向突擊，協同山東野戰軍第1縱隊、第8師圍殲該地區的敵人；
山東野戰軍第2縱隊于15日前，進至韓集和泰山集地區，由東向西突擊，協同山東野戰軍第1縱隊切斷敵整編第69師與整編第11師的聯系，準備參加圍殲被圍之敵；
華中野戰軍第1師由鹽城地區兼程北上、準備投入戰鬥，協同山東野戰軍第2縱隊作戰；
在鹽城、漣水、烽縣等地的我軍各部隊，積極阻擊各自當面之敵，保障宿北戰役的順利進行。
15日，各部隊進至指定地區展開。15日夜，山東野戰軍第1縱隊主力在司令員葉飛、副司令員何克希、副政委譚啟龍率領下，插入井兒頭、曹家集地區，部分部隊并突入敵第11師師部所在地曹家集。經過激戰。消滅了敵整編第11師直屬工兵營、騎兵營等大部分。
我8師于15日22時，以第23團1營先從西南方向對烽山之敵發起攻擊，至16日拂曉前，接連3次沖擊均未奏效。此時，曉店子敵人以炮火向我8師射擊，有出援征候，情況非常緊急。師團上司都很清楚，如在天亮前不能攻占烽山，将影響整個戰役的進展。是以，何以祥師長和丁秋生政委立即指令第23團l營和第24團不惜一切代價堅決攻占烽山。23團政委王六生馬上趕到1營指揮所作火線緊急動員，要求組織全營現有力量，在天明前堅決把山頭拿下來：該營把尚能參加突擊的40多人合編成4個班，組成1個突擊隊；第3連組成1個班，由連長指揮，從正面原攻擊道路佯攻，吸引敵人；其餘人員編成3個班，統由副教導員張明率領，繞至敵東南側實施主要突擊。當第23團1營進行最後一次沖擊時。第24團也發起了沖擊。經激戰，順利地通過了壕溝，攻上了山頂，敵在我軍兩面夾擊下，迅速瓦解。8師經一夜連續攻擊，終于在拂曉占領了烽山，全殲守敵1個營，在敵整個部署中打開了一個缺口，控制了戰場制高點。
與此同時，我東線部隊第9縱隊和第7師也攻占了嶂山鎮并全殲守敵。這樣整個戰場上的兩個制高點均被我軍占領。
第7、8師攻占烽山、蟑山鎮之後，敵人已察覺其翼側和後方均已暴露，徐州敵指揮部急令第4l旅由苗莊向第118旅及曹家集收縮，并給位于曉店子的預備第3旅、羅莊的第60旅下了死指令，一定要奪回烽山制高點。是日，敵人集中力量向烽山我第8師發動了連續進攻，第8師部隊利用烽山敵人已修好的工事陣地頑強抗擊。
16日黃昏，攻擊烽山的敵人被多次打退，我8師守烽山的部隊打得很艱苦。陳士榘判斷此時敵人已十分混亂，若乘夜幕向敵人發起攻擊必可獲勝。于是指令第8師除留少數部隊在烽山擔任警戒任務外，集中全力攻擊曉店子的敵人。
8師得令，立即攻擊。一舉突破敵人陣地，激戰5個小時，全殲敵整編第69師預備第3旅。第8師部隊曾在泗水戰役中受挫；這次戰役中，經過兩天兩夜的戰鬥就消滅敵人1個整旅，打了一個翻身仗。
與此同時，山東野戰軍第1縱隊2個旅于16日下午4時許，從烽山第8師陣地一路東進，當晚占領了高家窪、三召山等地，部分部隊還插到曉店子以南與該縱隊第3旅取得了聯系，切斷了敵整編第69師向宿遷的退路，并對敵整編第11師構成了正面阻擊态勢。
入夜，在我華中野戰軍第9縱隊和山東野戰軍第7師配合下，經3個小時激戰，攻克羅莊，全殲敵整編第69師的第60旅。1縱前幾個月在魯南作戰中，同樣受到一些損失，這次也補足有餘。
激戰仍在進行。17日，我山東野戰軍第2縱隊和華中野戰軍第9縱隊向高圩、李圩之敵發起攻擊，未能奏效。在我軍圍殲敵預備第3旅、60旅的過程中，敵整編第11師在空軍、炮兵配合下全力北援，均遭我軍頑強阻擊。
18日，敵整編第69師僅存的第41旅、師部、第92旅276團等，龜縮在人和圩地區，已無力反擊：這時，陳士榘參謀長從報話機裡聽到敵人在拼命地叫喊："請第11師援救……"這是敵整編第69師師長戴子奇的求救聲，怎奈有求無應。
午夜，随着三顆紅色信号彈在夜空騰起，我軍各部向敵師部及第41旅發起了總攻，大炮震得地動山搖，喊殺聲谷鳴山應。我山東野戰軍第2縱隊首先突入人和圩，激戰到19日上午，敵第41旅除旅長帶少數人逃跑外，全部被殲：敵師長戴子奇自斃，成為戰場上第一個執行蔣介石"不成功，便成仁"訓詞的殉葬品。
陳毅司令員聽到這一勝利消息，詩興大發，興奮地賦詩道：敵到運河曲，聚殲夫何疑？試看烽山下，埋了戴子奇。
宿北戰役全殲敵人1個整編師、3個半旅及整編第11師一部分，共計2萬餘人。