1947年1月23日，经过长达四个月的战斗，华中野战军和山东野战军正式合并为华东野战军，陈毅担任司令员兼政委，粟裕担任副司令，谭震林担任副政委，其中副司令粟裕负责具体的战役指挥。
此时国民党刚经历过宿北战役，鲁南战役的失败，十余万国民党军被粟裕消灭干掉。蒋介石派国民党国防部参谋总长陈诚坐镇徐州，接替连败两阵的薛岳，陈诚刚到徐州，就下达了指示：“
党国成败，全看鲁南一役，只许成功，不许失败
。”
此时陈诚还没有放弃临沂，他认为鲁南战役之所以失败，主要是各部队分兵冒进所致，陈诚为此制定“稳扎稳打，齐头并进”战术。陈诚以临沂为中心，组织了两个突击集团，其中北线集团由第二绥靖区副司令李仙洲指挥，兵力为三个整编师（军）共九个旅，自明水，周村，博山南下，向莱芜，新泰，蒙阴一线攻击，目标为山东解放区的后方基地。
南线集团，由整编第19军军长欧震指挥，兵力为八个整编师（军）共21个旅，自台儿庄，新安镇，城头一线从南向北攻击临沂，还有八个整编师（军）担负陇海铁路，津浦铁路和胶济铁路沿线的守备任务。
陈诚还从冀南，豫北战场抽调了四个整编师（军），部署在鲁南地区，打算在战役打响后，阻击刘邓大军增援，或者是阻止华野南下。
陈诚调集的总兵力加起来一共有十九个整编师（军）49个旅共30万人，其中直接攻打临沂的有11个整编师（军）30个旅，兵力还是十分强悍的。
陈诚赶赴徐州之前，蒋介石还交给了陈诚一张委任张，任命郝鹏举为国民革命军第四集团军总司令。这个郝鹏举本来是个土匪头子，抗战时投靠日本人，抗战结束后，共产党出于停止内战的愿望，改编了这支部队，但是郝鹏举又和蒋介石勾搭在了一起。1947年1月27日，郝鹏举叛变投蒋，所属四个师部署在海州外围地区。
1月28日，徐州绥靖公署下达了作战命令。30日，欧震指挥八个整编师分三路向临沂进攻，吸取国民党军吸取了以往被分割歼灭的教训，
采取集中兵力，稳扎稳打，齐头并进和避免突出的战法，每天的推进速度不超过十公里。
为了保卫临沂，粟裕命令三纵负责阻击从正面阻击中路之敌，想要寻找战机歼灭敌人左右两路中突出的一路。但是欧震没有给粟裕这个机会，在
发现陈毅，粟裕的意图后，立刻将左右两路的部队向中间靠拢，甚至直接停止前进，就地构筑防御工事，像个刺猬一样缩在一起，国民党军的过分谨慎使得粟裕找不到突破口。
2月4日，北线的李仙洲集团先头部队已经占领了莱芜，推进速度也很快。也是同一天，军委发来电报，建议必要时可放弃临沂，诱敌深入，寻找战机，以争取作战主动权。
此时的陈诚可以说是信心满满，虽然之前国民党军在苏北，苏中，鲁南损失了20多万的兵力，但是陈诚认为，只要占领物产丰富的苏皖地区，并将华野全部挤进到山东，完全可以看作是战略上的胜利。
虽然敌人重兵云集，但是陈毅和粟裕发现，欧洲的南线部队密集推进，谨慎缓慢，但是
北线的李仙洲兵团却孤军冒进，相对于欧洲兵团，李仙洲兵团的实力也要弱很多
。李仙洲兵团在深入解放区后，经常受到地方武装的袭扰，后勤补给线压力很大，王耀武不得不派三个师的兵力，专门维护从吐丝口到莱芜，新泰一线的漫长补给线。
在这种情况下，陈毅，粟裕果断决定放弃临沂，先打北线之敌。
粟裕决定由二纵，三纵留在临沂，扮演华野主力，牵制南线的欧震兵团，剩下的几个主力纵队全部秘密北上，准备歼灭北线的李仙洲兵团。
2月7日，华野二纵进攻驼峰镇，塔埠，讨伐叛变的郝鹏举，张震亲临一线指挥战斗。仅仅一天多的时间，就歼灭了郝鹏举所部，活捉了郝鹏举。此时距离郝鹏举叛变，还不到十天的时间。
2月15日开始，华野主力正在快速北上，二纵，三纵在完成阻击任务后，放弃临沂，继续牵着南线欧震集团的鼻子走。南线集团攻占临沂后，欧震给蒋介石，陈诚发报：
临沂一战，国军精诚团结，浴血奋战，歼敌6个旅，初战告捷。”
其实在临沂保卫战中，华野一共才投入了六个旅的兵力。
对于解放军的行动，山东省主席兼第二绥靖区司令长官王耀武看得十分清楚，他认为陈诚和欧震肯定是在谎报战况。
王耀武手下的情报员已经陆续给他送去了华野主力北上的情报，于是王耀武在没有陈诚批准的情况，命令李仙洲兵团收缩兵力，不得继续孤军冒进。
陈诚在得知北线部队后退后，立刻向蒋介石告了王耀武一状，蒋介石又把王耀武痛骂了一顿，王耀武只好一边命令李仙洲兵团继续推进，一边继续收集华野的情报。
在王耀武命令李仙洲兵团收缩兵力的时候，陈毅和粟裕确实紧张了一下，深怕部队跑了这么长的路，却让敌人逃脱了，有些将领已经建议提前发动进攻了，但是蒋介石的命令让陈毅和粟裕松了一口气。
2月19日，蒋介石在南京国民党军官训练团作出了演说：“现在关内的匪军约可分为五倍……此五部中，就我的观察，以陈毅一步最为顽强，训练最精，诡计最多，肃清最为困难。但自国军收复苏北攻克临沂以后，陈毅已失其老巢，就再不能发生过去一样大的作用了。”
2月19日，国民党军的空中侦查和王耀武手里的情报都已经很明显了，王耀武的情报员回来报告，华野一纵一师在莱芜以西等了三天，同时还发现解放军在鲁村集结，
王耀武被吓得出了一身冷汗，立刻下令46军火速撤到莱芜，和73军合力固守，同时命令73军和77师经过博山南下归还建制，以免兵力分散，被各个歼灭。
粟裕在获得敌情变化后，决定提前发起进攻，命令一纵进攻李仙洲兵团总部和73军，四纵进攻颜庄的46军，六纵九宫吐丝口的新36师，八纵主力和九纵歼灭博山以南的77师，十纵攻占锦阳关，切断国民党军的后退。
20日黄昏，
莱芜已经聚集了46军和73军两个军的兵力，粟裕原计划用五个纵队来包围莱芜，但是到这个时候，只有叶飞的一纵到达了莱芜。叶飞没有犹豫，果断命令部队对莱芜发动进攻，
牵制莱芜的国民党军主力。一纵进攻莱芜，牵制李仙洲兵团主力的同时，王必成指挥华野六纵进攻吐丝口镇，这里是李仙桃集团的后方基地，储存了上百吨弹药和数十万斤粮食，拿下吐丝口，就切断了李仙洲集团的退路和济南方向的增援。
23日凌晨，莱芜城内的国民党军开始撤退，46军的军长韩练成是地下党，他找了一个借口溜了出去，然后就神秘失踪了，致使46军群龙无首。此时解放军的部队都已经陆续到达，一线作战兵力和李仙洲兵团兵力大致相等。
从莱芜到吐丝口镇距离15公里，李仙洲集团的五万多国民党军带着全部火炮，卡车，辎重，拥挤在这条道路上。此时国民党军空军司令王叔铭亲自坐镇，指挥20多架战机为地面部队保驾。
粟裕指挥华野特种兵纵队的重炮猛烈轰敌群，又命令一纵，四纵，六纵不要顾忌敌机轰炸，坚决地冲上去，靠近敌人。我军从四面八方包围了上来，
5万余敌人被压缩在南北5公里、东西3公里的一片沙河低洼地带
。
国民党军队陷入了一片混乱，指挥系统也陷入了瘫痪。仅仅三四个小时，解放军就结束了战斗。
24日，蒋介石秘密飞到济南，一进城，就对王耀武劈头盖脸一顿大骂：“
你们只是在莱芜这个战役里就损失了两个军，一个师，损失了这么多的轻重武器，增强了敌人的力量，以后就更不好打了，这样的失败是耻辱。
”王耀武被骂的一点脾气都没有，不敢说一句话。
这场战役中，真正的恶战其实并不多，主要战役在一片混乱中结束了，华野的武器装备又换了一茬。王必成的中野六纵18师全部换成美式装备，16师也有两个团1个营为美式装备，17师49团为美式装备，51团有1个营又两个连为美式装备。王耀武后来也气得大骂李仙洲：
“5万多人啊，3天时间就被消灭光了，就是放5万头猪，叫共军去抓，3天也抓不完啊。
”
此战，历时63小时，华东野战军伤亡8800余人，歼灭国民党军1个“绥靖”区前进指挥所、2个军部、7个师共5.6万余人，其中俘虏四万余人，如果算上南线及胶济路东段的作战，共歼国民党军7万余人。解放博山、淄川等13座县城。
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