1947月1月31日，蒋介石以西南北三个重兵集团合击山东根据地，具体部署是：
南集团为主要突击集团，由欧震指挥，下辖八个整编师二十个整编旅，沿陇海路自台儿庄至城头一线，北攻临沂。总兵力达25万人。
北集团由李仙洲指挥12、46、73军组成，分由明水、周村、博山南下，进占莱芜、新泰、蒙阴，袭扰华野后方。总兵力为6万人。
西集团由从从冀南、豫北战场抽调王敬久集团（辖第五军和三个整编师）组成，渡过黄河后直奔鲁西南地区机动，企图隔绝晋冀鲁豫野战军与华东野战军的联系，并伺机向东转用于鲁南战场。总兵力为12万人。
其中，南集团又分成左中右三路齐头并进：
左路为整编第十一师、整编第五十九师、整编第六十四师共八个旅；
中路为整编第七十四师、整编第八十三师及第七军共七个旅；
右路为整编第二十五师、整编第六十五师及由荣二师改编的第六十七师（未整编，同整编旅）共六个旅。
为了寻找战机，粟裕决定采取“打中间、放两翼”的策略，以3纵坚决阻击中路军，造成左右两路相对突出的态势，然后视情况歼灭战斗力相对较弱的右路军。
但是，吸取了宿北、鲁南两次失利的国军这回学精了，在整74师受阻后立刻停了下来，并积极构筑工事，每天前进3—5公里向中路靠拢，避免过于突出被解放军围歼。仅在沂河、沐河之间15公里宽的正面上，国军就摆了26个团。
鉴于在鲁南寻求战机的机会愈发渺茫，陈毅和粟裕等华野领导层大胆决定——转兵向北，寻歼李仙洲集团。
对于李仙洲，华野中原来山东老八路出身的部队并不陌生：
1943年2月，李仙洲指挥28集团军3万人马进入鲁南，妄图抢占我八路军控制的根据地。我山东八路军会合冀鲁豫八路军发起了两次讨伐李仙洲的战斗，打得李仙洲丢盔弃甲，李仙洲本人还一度被八路军5个团包围于陈楼、陈庄一带，多亏侯镜如率部拼死救援才突围出来。
到1943年9月，28集团军在八路军的几次反击下，由原来的3万人马锐减到7000人，重武器全部丧失，被迫撤到阜阳。
这次李仙洲再次对阵“山东八路”，显然水平没多少长进，错误地把三个军九个师沿博山、吐丝口、莱芜、新泰一线一百五十里的地区分散配置：
第七十三军军部及第十五师驻于颜庄，第一九三位于和庄，然而第七十七师却位于张店，距离颜庄足足有90公里。
第十二军军部和两个师位于莱芜、吐丝口镇地区，其新三十六师却划归第七十三军指挥，位于蒙阴；
第四十六军三个师位于新泰。
三个军和各个师之间距离最近也有30多公里。这样的配置，简直是老天爷给粟裕送肥肉。
二月十日，华野总司令部下达了北上歼灭李仙洲集团的命令：
1. 二、三纵伪装华野全军，在临沂以南地区实施宽正面防御，节节阻击，以迷惑敌人。二纵在放弃临沂后马上北进。
2. 原来在鲁南的一、四、六、七纵在妥善交防后，立即隐蔽北上
3. 原在北线的八、九、十纵队迅速进至莱芜以西集结。
4. 为进一步迷惑敌人，山东军区地方武装和二、三纵一部积极在运河上架设浮桥，在黄河边筹集渡船，扬言进攻兖州，与刘邓大军会合。
可虽然李仙洲水平不怎么样，但他的上级——第二绥靖区司令官兼山东省主席王耀武却是国军一员名将。曾经率补充一旅打败了红十军团。抗战时期指挥74军接连打了三次长沙会战、上高会战和雪峰山会战，日军驻屯华中的十一军视七十四军为“重庆军”第一主力。
2月15日，区震率南线兵团攻占临沂，大肆吹嘘所谓“歼敌16个旅8万人”的战绩，就连蒋介石都信以为真。可是王耀武通过关系得知了真相——国军拿下的只是一座空城。
紧接着，空中侦察又表明，华野似有不少部队向费县运动。
认真分析了上述消息后，王耀武不禁倒吸了一口凉气——华野主力目标是李仙洲！
还好发现得早，王耀武赶紧命令李仙洲集团全线后撤∶
原驻新泰、颜庄之第四十六、第七十三军分别撤至颜庄、莱芜，新三十六师自蒙阴寨撤至口镇及其以北地区；十二军军部率另两个师自莱芜、口镇撤至胶济路，担任张店、明水一线守备。
仗还没开打，李仙洲就突然回缩，部分干部担心打不成歼灭战，要求提前出击，即使打不掉敌全部，也可切敌后尾。
粟裕却认为：我主力尚未全部到达预定集结位置，不能达成合围，仓促发起战役，无取胜把握，并且可能将敌人赶跑。相反，如我不过早惊动敌人，继续隐蔽集结主力，就可能使敌人一时还难以判断我之企图，举棋不定，徘徊失措。
因此，粟裕没有采纳提前出击的建议，而是严促由南向北赶的5个纵队加速隐蔽北上，完成对敌人的合围。
就在王耀武刚想舒一口气的时候，蒋介石和陈诚早已被粟裕的欺骗战术所迷惑，误认为华野在临沂受到重创，只能西进兖州，和刘邓会合。
当他们得知北线国军回缩时，大骂：“娘希匹”，发了多封措辞严厉的电报：要求王耀武必须确保新泰、莱芜，并以有力部队护卫大汶口一线，大家一起兜击“共军”主力于鲁西南地区。
王耀武被校长大骂了一通后，不得已，只能于二月十七日命令第四十六军重占新泰，第七十三军的军部率一个师折返颜庄，12军新36师确保吐丝口镇。
针对敌人南下的新态势，粟裕对原定作战部署作了调整：以一、八纵攻莱芜，四纵攻颜庄，七纵切断四十六军与七十三军的联系，六纵攻吐丝口，九纵队控制博山以南。
战役决定于二月二十日打响。
可是，当华野上下正摩拳擦掌，准备全歼李仙洲时，敌情又变了。
心神不宁的王耀武多次从济南派侦察兵和特务潜入我军附近，又派大量飞机在莱芜、吐丝口、新泰一带盘旋侦察，终于查明了我军围歼李仙洲的意图，火急火燎地命令部防在新泰、颜庄的46军和73军一个师星夜北撤，把伸出去的部队再缩回来。又令驻防张店的七十七师迅速经博山南下归建七十三军，增强李集团前沿力量，
敌变我变，粟裕决定以八、九纵吃掉南下归建的七十七师，其他部队分别开到莱芜、颜庄四周，吃掉73军和46军。
可是，2月20日下午15时，南下归建的七十七师由于行动过快，提前抵达了我八、九纵伏击圈的末端，我伏击部队被迫打响伏击战，七十七师师长田君健急忙呼叫求援。
王耀武得知七十七师被伏击，意识到华野要分割包围莱芜、颜庄，各个击破。急命刚抵达颜庄的46军重返莱芜。
而华野原定参与围攻莱芜的四纵、七纵因为行军路线交叉，没有在预定时间赶到莱芜完成合围，导致46军顺利开进莱芜，这样一样，莱芜城内兵力就达两个军5万人之多。
在莱芜敌军增多，分割包围的原计划已不可行的情况下，粟裕也跟着变更计划：
1. 督促八、九纵尽快歼灭七十七师。
2. 命一、六纵分别对莱芜外围和口镇之敌发起了攻击，十纵抢占吐丝口北面的锦阳关。
3. 原安排于颜庄围歼46军的部队迅速赶往莱芜周围。
二十一日拂晓，八、九纵已全歼敌第七十七师，击毙敌师长田君健，之后迅速转兵莱芜。当天下午，一纵队占了莱芜城以西、以南诸村落，并击退了由莱芜向北与我争夺城北各要点之敌。
然而，在莱芜以北的战略要点——吐丝口镇，守敌12军新36师出人意料地顽强，六纵激战两天还没完全攻克。
王耀武大喜，认为这是突围的绝佳机会，立即命令李仙洲从城北突围，经吐丝口镇抵达明水以南。这样不仅可解吐丝口镇之围，而且可东援淄博，向西加强济南防卫。
与此同时，王耀武还请蒋介石派大批作战飞机轰炸、扫射我军，掩护李仙洲集团突围。
既然敌人要北撤，那就让他撤，在撤退途中全歼敌人！粟裕实行了围三阙一、网开一面的办法。
1. 令担任正面阻击的一纵略向后缩，以诱敌主力出城，然后加入西突击集团行列。
2. 四纵部署在莱芜城南，在莱芜守军出城后尾随进城，歼灭守敌。
3. 严令六纵务必攻下吐丝口镇，堵住李仙洲集团北进缺口。
4. 其他5个纵队火速赶到莱芜城北两侧山上，组建两大突击集团：在吐丝口公路西侧2个纵队和后面赶到的1纵统归1纵司令员叶飞指挥，在东侧的3个纵队统归8纵司令员王建安指挥，只等莱芜守军出来。
2月23日晨，敌军大举突围。第四十六、第七十三军分两路平行北撤，将李总部及辎重车辆物资夹在中间，齐头并进，向北猛突。
中午12时许，敌后尾部队全部脱离莱芜，四纵不失时机地迅速占领；攻打口镇的六纵也卡死了敌军北撤的咽喉要道。
与此同时，我预伏在东西两翼的强大突击集团对行进中的敌军发起猛攻。
五万多敌军被包围在东西仅三四公里、南北仅一二公里的狭小地域，人马车辆辎重挤成一团。
这时，与我军有秘密联系的第四十六军军长韩练成，在我敌军工作干部的安排下，突围一开始就离开了指挥位置，促使敌军陷入更大混乱。
23日中午，两大突击集团同时对被围之敌发起总攻，激战至下午17时，5万国军除韩浚率一千余人会合五千守敌突围外，全部被歼。李仙洲本人兵败被俘。
韩浚也没高兴得太早，当他暗自庆幸已经脱离险境时，粟裕早已提前派九纵埋伏在北上济南的必经之路——博山。韩浚率六千残兵大摇大摆地撤向济南，九纵不费吹灰之力就把他们全部打包俘虏。
莱芜战役，我军仅用三天时间就全歼了国军46、73军全部和12军新36师，消灭敌人5.6万人，解放了13个县城，一百多座城镇，使渤海、鲁中、胶东解放区连成一片。
王耀武听闻李仙洲全军覆没后，半天说不出话来，良久才哀叹：“就是五万头猪，三天三夜也抓不完啊！”
