9日午夜，我军占领了敌人城西南角的指挥所，同时又攻进了北门。城内的敌人完全被歼灭了，只有少数人乘夜黑由北门逃出，但没走多远，就被我军俘虏。天亮的时候，我军在俘虏队伍中清查马励武，看到一个士兵装束的俘虏坐在墙角里，头低得几乎贴了地，俘虏队伍中有些人在窃窃私语。我们的战士便上前去盘问他，那人支吾了好一阵，最后只好承认自己就是马励武。在俘虏队伍中，同时还查出了整编第二十六师副参谋长牛奔。此役，我军在峄县、齐村、枣庄全歼整编第二十六师残部及整编第五十一师。整个鲁南战役共歼敌5.3万余人，俘虏整编第二十六师师长马励武、副参谋长牛奔及整编第五十一师师长周毓英，缴获坦克24辆、榴弹炮48门、汽车470辆，获得了打敌机械化部队的初步经验，改善了我军装备。在此基础上很快地成立了华东野战军（第三野战军）特种兵纵队。敌整编第二十六师、第五十一师及第一快速纵队的覆灭，使国民党军头目及美军顾问团大为震惊。美军顾问团曾专门对此事进行调查，认为全部美械装备并由美军训练出来的快速纵队，竟被劣势装备的人民解放军所消灭，简直是不可思议的事！我军在战役中缴获的敌军坦克。然而，“无可奈何花落去。”敌人无论震惊也罢、哀痛也罢，都无法改变在华东战场上的被动局面，等待着他们的将是更惨重的失败。宿北战役是山东、华中两大野战军会合后打的第一仗，鲁南战役是两大野战军合编成华东野战军的第一仗。这一仗干脆、彻底、迅速地歼灭了全副美械装备的敌主力师和机械化部队，对国民党军是个极其沉重的打击。战后，有人问粟裕：鲁南战役的指挥特色是什么？粟裕说：“慎重，鲁南战役是华中、山东两个战区合起来的初战，从定下决心到组织实施全过程，甚至某些细节上，都必须贯彻慎之又慎的原则，以确保关键性战役的胜利。”粟裕已经进入他指挥艺术上的辉煌时代，他注定要成为一颗最亮的将星闪耀在后来的人民共和国的上空。1月20日，鲁南战役结束，1月31日，莱芜战役就开始了。莱芜战役原由国民党组织的“鲁南大会战”演化而来的。鲁南大会战由陈诚亲到徐州组织，花1个月时间做了“南北两大兵团对进夹击临沂，歼灭陈毅主力于沂蒙山区”的部署。
“峄枣之战是武力侦察，或者说是鲁南大战的前奏，”陈诚在作战会上说，“侦察到什么了呢？第一，侦察到临沂确是其最敏感地区，一触即跳，把敌人主力吸来，便于会歼。第二，侦察到敌人战力薄弱。6个纵队一起上，借助风雨之便才侥幸得手。”陈诚判断：“共军可能死保临沂，那就由欧震兵团就地歼灭，万一不守，就网开一面，只准他向北逃，不让他向南窜。向北逃，则由李仙洲兵团在蒙阴、新泰地区堵截并歼灭之。”陈诚传谕：“鲁南大会战不是单一地区之战。夺取临沂，歼灭陈毅主力，打开沂蒙通道，山东的问题便好解决了。不单山东问题，苏皖问题也解决了。这就可以把徐州和济南的强大机动兵团解脱出来，会同郑州、西安、武汉五路大军于中原，先灭刘邓，横扫华北，平定关内，那么孤悬关东之敌也就到了末日。所以说此战成败关系党国成败。”
陈诚的计划是：南线以8个整编师组成主力突击兵团，由欧震指挥，从徐州地区向北推进直取临沂。北线以7个师组成辅助突击兵团，由李仙洲指挥，从胶济路章丘地区向南推进，取莱芜、新泰、蒙阴。欧震兵团于1947年1月31日分三路向北推进。谨遵陈诚制订的十六字作战方针：“集中兵力，稳扎稳打，齐头并进，避免突出。”左、中、右三路的接合部挨得很近，实际上是向北一线平推。陈诚说：“我军兵力优势，装备优势，如不过分突出过于分散，共军便无隙可乘，希望诸位始终莫忘十六字方针，宁失之于缓慢，勿失之于冒进，只要按计划向前推进，共军就只有被挤死于夹缝里了。”北线辅助突击兵团原定由第二绥靖区司令官王耀武亲自指挥。王耀武虽毕业于黄埔三期，却跃居于许多二期甚至一期校友之上。他有一个信条和经验，宁肯孤军奋战也不愿与兄弟部队打协同，越是嫡系王牌越难协同，到关键时刻你上他不上，打仗没有扯皮花的精力多，常常为敌所乘。因此，他把副司令李仙洲推到第一线，万一扯起皮来，也有个回旋余地。李仙洲明白个中缘故，故意问道：“陈总长坐镇徐州该不会有什么问题吧？”“但愿如此。”王耀武并不乐观，“你老兄可要心里放明白，这就形成三个统率（蒋、陈、薛），扯起皮来更不得了。”“那该怎么办？”王耀武说：“到时候你听我的。”此时，粟裕把兵力集中在南线，设想敌南线三路中，如果左路突出打左路，右路突出打右路，如果中路突出打中路。然而，蒋军连遭痛打，知道千万突出不解放军向莱芜挺进。得，谁突出谁就完蛋，使粟裕不能得手。
李仙洲兵团由于没遇到阻拦，将至莱芜，王耀武来电：“我北线兵团要与南线兵团协调行动，不宜突出，要谨遵十六字方针，步步为营。南线兵团不到临沂，我北线兵团最远不得过蒙阴，以免影响会战计划之顺利实施。”李仙洲步子稍慢，徐州便来电追问：“北线无阻，进展何以如此缓慢。”李仙洲则通过王耀武去搪塞。这时，陈毅提出了一个极其重要的设想：既然南线敌人重兵密集，战机难寻，而此线敌人孤军深入，威胁我军后方，我军不如改变原作战方针，置南线敌重兵集团于不顾，而以主力北上，以绝对优势兵力，歼灭北线之敌。粟裕认为陈毅的设想十分高明，即定下示形于南，击敌于北，惑敌于西的新作战方案。为此，他对战役布局作了一系列重大调整，以2个纵队佯装主力在南阻击，以2个纵队讨伐叛军郝鹏举部，以地方部队在运河上架桥，摆出一副在鲁南决战、死保临沂，不成则西渡运河、黄河，向刘伯承、邓小平靠拢的架势，实际上悄悄带着7个纵队10万大军星夜北上，直扑150公里外的李仙洲。2月15日，南线敌人占领临沂城。蒋介石、陈诚得意忘形，大肆吹嘘“胜利”。但这一天晚上，在济南的王耀武得到了我军主力已向北运动的情报，便提高警觉。我军虽然封锁消息，但大兵团行动，几天之后就难以完全保密了。王耀武对我军主动放弃要地临沂，主力北移，猜测我军可能改变作战方向，担心掉头打李仙洲集团。第二天——16日，就命令李仙洲全线后缩。敌情的突然变化，不免使人着急：敌人要逃跑，而我军还未完全到达指定位置，怎么办？有的纵队指挥员建议提前攻击，认为即使抓不住全部敌人，也可以吃掉它的“尾巴”。粟裕经过缜密分析，认为敌人只是稍向后撤，整个部署还没有发生根本变化，我军不要打草惊蛇，贪小失大，应该不动声色，按原定方案迅速向指定位置集结。
王耀武在命令李仙洲后撤的同时，打电报给陈诚，陈述自己的意见，并要求“准予机动作战”，就是说，允许他可以随时让李仙洲“机动”地逃跑。陈诚大为不满，给王耀武的回电中，坚持认为“陈毅率部放弃临沂向北逃窜，有过黄河避战企图”，还说什么“敌军心涣散，粮弹缺乏，已无力与我主力作战”，他不仅不理睬王耀武“机动作战”的要求，而且严词命令王耀武：“着该司令官派一个军进驻莱芜，1个军进驻新泰，诱敌来攻，勿使其继续北窜。”陈诚还向蒋介石告了王耀武一状。蒋介石给王耀武写了一封亲笔信，信上说：“务希遵照指示派部队进驻新泰、莱芜。新、莱两城各有一军之兵力，敌人无力攻下，敌如来攻，正适合我们的希望。”蒋介石在信上还责令王耀武：“切勿失此良机！”
王耀武心烦意乱，很是懊恼。他不赞成陈诚的判断，但又不能不执行蒋介石、陈诚的命令。当他查明我军在李仙洲集团后缩期间没有异常行动，心里平静了些。17日，他命令李仙洲重新南进。不过，他对蒋、陈的命令打了点折扣，只命令四十六军重占新泰，七十三军的一九三师接防颜庄，其余在原地未动。到了2月19日，我军各路部队逼近莱芜、颜庄、新泰等地，王耀武最后判明我军有围歼李仙洲集团的意图，他顾不得有违蒋介石“切勿失此良机”的“手谕”和陈诚“诱敌来攻”的命令，急令四十六军再次从新泰撤到颜庄，一九三师从颜庄撤到莱芜，同时命令驻在胶济线上张店的七十三军七十七师立即经博山南援莱芜，归还建制。但是，一切为时已晚。就在李仙洲集团像一头牛被蒋介石、陈诚和王耀武牵来牵去期间，我军按照陈、粟的正确指挥完成了战役包围。蒋介石所盼的“良机”永远不可能到来，王耀武所要求的让李仙洲集团逃跑的“良机”，也永远地失去了，而陈诚所说的“诱敌来攻”，我军则不请自到，惊天动地的围歼李仙洲集团的炮声，开始在沂蒙山区震荡。
2月23日，李仙洲部5.6万人被我军围于莱芜到吐丝口之间东西六七里、南北八九里的狭长地区内。下午1点整，全线出击开始。蒋介石坐立不安，急不可耐。他不断向王耀武查问莱芜战况，一再命令他的空军副总司令王叔铭“尽全力掩护李部北撤”。王叔铭调集了几十架战斗机和轰炸机到莱芜上空作战，他自己驾机到战区空域指挥。李仙洲在危急中一面强令部属抵抗，一面向在空中盘旋的王叔铭紧急呼救。李仙洲与王叔铭也是黄埔军校第一期同学，又是山东同乡，平时交往甚密，互相说点儿真话。这时王叔铭在无线电话中告诉李仙洲：“从莱芜到吐丝口镇，共军甚多，突围难以成功，不如退回莱芜城，固守待援。”王叔铭还保证由他负责空投粮食和弹药。李仙洲丧气地说：“现在退回莱芜城已非易事，固守待援更无希望。”但他还认为，突围部队离口镇不远了，新编三十六师还在口镇抵抗，可以接应，只有一鼓作气突到口镇才有生路。他急迫要求王叔铭加紧轰炸口镇以南我军，使他的突围部队进入口镇。过了一会儿，王叔铭向李仙洲呼叫，他无可奈何地向李仙洲说：“空军已尽了最大努力，猛烈轰炸和扫射了共军部队，但共军不怕死，仍阻止不了他们的进攻……”无线电话断了，再也没有接通。
我军从四面八方压缩、收拢这条狭长的“口袋”，敌人陷入极度混乱之中，几万人马，团团乱转。成千上万的敌人被我军压缩到汶水西岸的一片沙滩和开阔地上，每落下一发炮弹，就死伤一大堆，我军战士冲进去时，蒋军有的往汽车底下钻，有的举枪下跪，远远近近，响起了“缴枪”“饶命”的喊叫声。敌人被打散了，狼奔豕突，各自逃命。战士邓江海一眼瞟见一个骑上四川小马的军官正要逃跑，他迎头截住，未等骑马的掏出驳壳枪，邓江海先开了枪，打中那人右脚，将他俘虏。原来他是四十六军一七五师师长甘成城。
李仙洲的总部也散架了。那些高级幕僚们扔下李仙洲径自逃命，只有七十三军军长韩浚还和李仙洲在一起。突然，李仙洲的左腿下部中弹负伤，他挣扎着继续向北逃跑，不知什么时候他和韩浚也失散了。眼看就要到吐丝口镇了，只有三四里路了，可是他感到头昏目眩，摔倒在山沟里……“缴枪不杀！宽待俘虏！”我军战士的喊话声，发生了神奇的作用，成百成千的蒋军官兵挥动灰色军帽，叫唤着：“我们不打了，我们缴枪了！”纷纷把枪支扔到地上。六纵队十八师的1个团俘虏蒋军官兵8000多人，超过了这个团参战人数的五倍。有个战斗小组4个战士，俘敌整800！他们威武地向俘虏们发出口令：“向左转！目标大松树林，便步走！”
敌七十三军军长韩浚侥幸地带了1000多人乘混战之际突入了口镇，与口镇守敌新编三十六师残部会合共5000多人，向博山方向逃跑，刚到青石关，就被我九纵全部歼灭。战斗结束时，有一股蒋军主动打起了小白旗，把武器放在一边，排好了队，请我军前去清点。战士查问谁是指挥官？一个俘虏指着一个人说：“他是军长。”这个人正是七十三军军长韩浚。在镇南的一个俘虏群中，有一个头发、胡子都已灰白的老兵，穿着蒋军士兵服装，戴一顶带有掩耳的棉帽，可是这套窄小的军服对这个身躯高大肥胖的老兵太不合身。他的腿上流着血，两手捂着肚子，愁眉苦脸地哼唧着。不一会儿，我军战士找来一副担架，把他抬下去治伤。他就是国民党第二绥靖区副司令、蒋军北线总指挥李仙洲。原来他从山沟里爬出来，与一个蒋军军官结伴逃跑，被我八纵队的副教导员张伯逵发现。张伯逵觉得诧异，怎么一个蒋军军官扶着一个肥胖的蒋军士兵走路？立即查问，李仙洲说自己是长清县的一个小学教员，被国民党抓来当兵的，后来被别的俘虏指认，才承认了自己的真实身份。
莱芜战役取胜之快，歼敌之多，创造了全国解放战争第一年的最高纪录。大战而胜，大胜而归部队情绪高涨，原来发牢骚、说二话的都变了调，处处是欢腾的歌声：
苏北到山东，
思想搞不通，
走路怨大山，
吃饭怕大葱。
二月苗儿绿，
战鼓响咚咚。
撒网捉鲤鱼（注“鲤鱼”是李仙洲的绰号），
蒋匪军七万人马送了终。
蒋介石运输队长立大功，
送来了美国枪炮还有火箭筒。
这战功，真神通，
跑得快，打得凶。
毛主席定天下，
神算妙计显威风。
请问同志们，
不从苏北到山东，
这样的胜仗，
怎能打成功？
1947年3月8日，粟裕在华东野战军高级干部会议上就莱芜战役作了总结报告，他说：“在一次战役中，仅以63个小时就俘虏了4万多敌人，加上被我毙伤的共歼敌6万人左右，我仅伤亡6000多人，这在中国战史上是空前的。”
关于莱芜战役，粟裕在回忆录中写道：“莱芜战役作战方针的形成，是统率部与战区指挥员集体智慧的结合。中央军委和毛泽东同志关于必要时放弃临沂的指示，陈毅同志舍南就北的作战方针的设想，华东野战军前委的作战方案的判定和部署，上下结合，互相启发，互相补充，一个切合实际的作战方案就形成了。“莱芜战役，是华东我军转入纵深腹地后，在敌大军压境逼我决战情况下打的一个大运动仗。敌我双方统率部和战役指挥员都对战役作了精心筹划，并且都投入了各自可能集中的最大兵力。这次战役出敌意料，仅三天时间，即从我军获得大胜、敌军惨遭失败而迅速结束，打得干净利索。“莱芜战役的胜利，给了国民党反动派以沉重打击，在敌人内部引起了很大的震撼，加深了敌人的政治和经济危机。战后，敌徐州绥靖公署即被撤销，薛岳被免职……战役结束当天，蒋介石亲飞济南，大骂王耀武失职、李仙洲无能。王耀武则在给整编第八十三师师长李天霞的信中悲叹：‘莱芜战役，损失惨重，百年教训，刻骨铭心。’”
王耀武这个人大概是沾了点“语不惊人死不休”的文酸气，对华东战场蒋军失败的评论总是语出惊人，入木三分。莱芜战役一结束，紧接着就如王耀武说的莱芜战争中被俘的国民党军。“有如丧父之痛”的孟良崮战役。
