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随后，山东军区即在滨海区、鲁中日、鲁南区部署打去伪*、接控于部防地、反击鲁南李部的作战。同时，冀鲁豫八路军也集中六个团兵力，在鲁西南、湖西地区阻滞李部东进。七月下旬，冀鲁豫军区司令员杨得志、政治部主任崔田民亲自指挥五个步兵团、一个骑兵团及地方武装，展开反击李仙洲战役的第二阶段作战。二十九日，李仙洲军总部及第二十一师、暂编第三十师等部被包围于成、单、曹边的陈楼、陈庄一带，第二十一师突围，遭八路军伏击，被歼近千人。李仙洲急命第九十二军军长侯镜如率军部及暂编第五十六师、一四二师各一部驰援，虽得以解围，但侯镜如部也遭到严重打击。接着，李仙洲所倚重的国民党鲁西南地方武装曹斑亭部大部被歼。以上种种因素，造成李仙洲部长时间徘徊、滞留于鲁西南，无法东进接近于学忠防地的局面。在内外援无望的情势下，于学忠部弹药缺乏，补给无术，处境更加艰难，为避免继续受损失，于学忠部便不等李部接防就开始撤离，向皖北转移。事前，于部与八路军已约定：于学忠部撤离驻地时，以烟火为号，八路军即去接防。于学忠部可在鲁中根据地之坦埠（位于沂水与蒙阴边界处）和旧寨（坦埠以西）两地，通过八路军的防区，于学忠部通过时，八路军筹备粮草，予以欢送。
于学忠部驻防的沂鲁山区和诸（城）日（照）莒（县）山区，纵横数百里，峰峦连绵，山崮耸立，形势险要，是山东中部最大的山区。
占据这一带山区，西可与泰山、南可与蒙山相呼应，北可抵胶济铁路，东可达诸城、莒、安丘，具有极其重要的战略意义。在这两块山区周围的伪军和顽固派，包括鲁山以南的伪军吴化文部，盘踞诸城一带的伪军张步云部，安丘一带的厉文礼部，以及原驻鲁南，后转至日（照）莒（县）公路以北的张里元部等，都对于这两个山区垂涎三尺，企图染指。为抢先控制于部退出阵地，七月四日、十二日，山东分局、军区命令鲁中区和滨海区的部队分别向沂鲁山区和诸日莒山区大规模进军。
从七月中旬到八月上旬，同在日军支持下的张步云部、吴化文部和厉文礼部展开激烈战斗，基本控制了日（照）莒（县）公路以北的诸日莒山区，青（州）沂（水）路以东、安（丘）莒（县）边区和青沂路以西的北沂蒙地区等原东北军驻地，新开辟的根据地面积达两千余平方公里。
控制诸日莒山区和北沂蒙地区后，山东八路军又把重点转向南面的天宝山和蒙山山区，寻求击退或歼灭进入该地的李仙洲部。八月十三日至十八日，鲁南军区集中主力第三、第五团及地方武装一部，在天宝山地区刘春霜部的侧翼，纠缠扭打，进行反击。顽军虽然受到损失，但仍越过滋（阳）临（沂）路窜至费（县）北，又遭鲁中第二团的打击，只好退回滋临路南，盘踞在乎邑以南的流峪、常庄一带。此间，津浦路西的冀鲁豫军区也全力反击李仙洲部主力。
在此局面下，李仙洲部陷入重重困境，入鲁初的两万余人，到这时剩下不到八千人，战斗兵减员半数以上，弹药消耗殆尽，有的轻重机枪只剩几十发枪弹，迫击炮只剩下几发炮弹，官兵都害怕再有战斗。
远隔津浦路的刘春霜，也一日数电告急。于学忠西撤过微山湖时，曾在张土城附近的一个小村庄约见李仙洲，倾诉了在鲁南坚持抗战，备历艰苦的情况，说到将、校、尉级军官死伤的有几个编制表，自己也有几次险遭不测。听后，李仙洲也不免“兔死狐悲”流露了悲观失望的情绪。其实，李仙洲部军官早就信心不足，特别是和八路军几次较量后，大都对八路军的夜袭及伏击“谈虎色变”对划满红实线、红虚线的逐步“鲸吞”和“蚕食”八路军根据地的“入鲁计划…”已彻底失望。至秋初，眼见青纱帐时期将告过去，预期的日军秋季大“扫荡”
迫在眉睫，特别是庞炳勋的被俘对李仙洲及军、师长们更是一个晴天霹雳。李仙洲部高级军官，包括曾力主继续东进鲁南者都信心动摇，主张早日南撤。李仙洲虽不情愿，但鉴于形势已濒绝望，无力回天，遂向蒋介石发电请示，大意是：华北大势已去，非九十二军区区兵力所能挽救。部队弹尽援绝，旷日持久，有被全歼之虞。为抗战长远利益计，请准撤回皖北整补，以图后举。几天后，接到蒋介石复电，大骂李仙洲“非〖革〗命军人，限迅即东进，不得延误”李仙洲看了电文，正无所措置时，又接到蒋介石亲电，命李率部撤回阜阳。李仙洲这才松了一口气，召集师长以上军官密商后，经夏邑附近南撤，于中秋节前到达卓阳。第一四二师也由鲁南经徐川、*山间过铁路南撤。国民党在山东的落败，是其消极抗日、积极反共错误方针的必然结果，但其中也不能排除于学忠与蒋介石之间的矛盾所起的作用。于、蒋矛盾实质是东北军与蒋介石集团之间的派系矛盾。蒋介石的如意算盘是，先夺于部经营多年的战略要地和地盘，让嫡系李仙洲取而代之，以达到釜底抽薪的目的，然后再借机整垮东北军。这一点，于学忠看得很清楚，同时，他也看到李仙洲部不可能顺利入鲁，所以，未待接防即匆匆撤出，使蒋介石在山东走了一步败棋。山东八路军方面则正确分析和利用了以上种种矛盾，选择了正确的对策和措施，进行了有理、有利、有节的斗争，从而占领了山东战略制高点。
“看来老头子准备在山东有大动作了啊，估计，王耀武，李仙洲他们这些人，马上就要忙起来了”张心听了黄雍的话之后，对着在座的人说到，而且，张心现在马上的就想到的时候莱芜战役，可能很快就要爆发了啊。
莱芜战役华东野战军以临沂一座空城，换取歼来国民党军一个“绥靖”区指挥部、两个军部、七个师共五万六千余人的重大胜利。
此役，粉碎了国民党军南北夹击，逼迫华东野战军在不利条件下与其决战的计划…这一战役俘敌数量之多、歼敌速度之快，都创造了解放战争开始以来的最高纪录。
一九四七年（民国三十六年）二月，人民解放军华东野战军在山东省临沂以南至莱芜地区对国民党军进行的〖运〗动战战役。
当年一月，国民党军在其最高统帅蒋介石部署下制订了“鲁南会战”计划，以二十三个整编师五十三个旅，采取南北对进的部署，企图与华东野战军决战于临沂地区。同时，从冀南、豫北抽调四个整编师集结于鲁西南地区以便阻止华东野战军西进或晋冀鲁豫野战军东援。
国民党军参谋总长陈诚坐镇徐州督战。一月底，由整编第十九军军长欧震指挥的八个整编师二十个旅为主要突击集团，分三路由台儿庄、新安（今新沂）、城头一线向临沂攻击前进第二绥靖区副司令长官李仙洲指挥的第七十三军、第十二军及整编第四十六师，为辅助突击集团，自一月中旬起，由明杠今章邱）、周村、博山一线南下，向莱芜、新泰地区开进，策应南线的作战。
时华东野战军主力集结于临沂地区休整待机。面对国民党军的进攻，野战军司令员兼政治委员陈毅、副司令员粟裕、副政治委员谭震林企图采取各个击破、逐次歼敌的手段，首先诱逼南线进攻的三路国民党军突出一路予以割歼，再及其余。南线国民党军始终坚持密集靠拢，齐头并进。而北线的李仙洲集团三个军（整编师）以梯次配置的队形，孤军深入，于二月初占领莱芜、颜庄一线。华东野战军陈毅、粟裕、谭震林依据敌情的变化果断改变战役计划，转兵北上，歼灭孤立分散的李仙洲集团。除以第二纵队伪装全军，在临沂以南采取宽正面部署，迷惑并阻击南线国民党军，主力第一纵队、第四纵队、第六纵队、第七纵队、第八纵队于二月十日起以急行军隐蔽北上，同时以驻胶东、渤海地区之第九纵队、第十纵队迅即开赴莱芜地区参战。并布置地方武装在兖州以西的运河上架桥，造成华东野战军将向晋冀鲁豫野战军靠拢组假象。
十五日华东野战军主动放弃华东根据地首府临沂。蒋介石、陈诚误认为华东野战军伤亡过大、无力再战，遂令李仙洲集团加速南进协同欧震集团，聚歼华东野战军于临沂以北地区。
十八日，华东野战军主力七个纵队进抵莱芜周围地区，完成对李仙洲集团主力的战役合围。李仙洲集团察觉有被围歼的危险，迅即收缩兵力于莱芜城，并令驻博山之第七十三军第七十七师即开莱芜归建。
华东野战军除以主力荫蔽待机外，以一部攻取锦阳关，构成对明水方向援军的阻击阵地，以一部进攻莱北吐丝口，切断李集团北撤通道，另以一部担负伏击第七十七师。二十日上午，由博山南开之第七十七师进至博（山）莱（芜）公路上的和庄、不动地区，被预先设伏于该地的第八纵队、第九纵队主力一举歼灭。二十日晚，华东野战军对困守莱芜的李仙洲集团发起全线攻击，至二十一晨，攻占莱芜城郊的几个要点，打退守军的连续反扑。攻占锦阳关，包围吐丝口守军。李仙洲固守无力，
待援无望，在第二绥靖区司令官王耀武的指令下，于二十三日率其指挥部及第七十三军、整编第四十六师向莱芜以北突围。整四十六师师长韩练成在解放军敌工干部策动下，临阵放弃指挥脱离部队，更增加了突围部队的慌乱。
华东野战军主力四个纵队在莱芜至吐丝口镇的公路两侧设置袋形阵地，并以由南线赶来参战的两个纵队部署于蒙阴地区，以防李集团向西南撤退。上午十时，李仙洲集团的先头部队进至芹村、高家洼一线，即遭部署于吐丝口的第六纵队的顽强阻击。中午，当李仙洲集团的后尾撤出莱芜城时，第四纵队一部立即抢占该城，断其退路。同时，由第一纵队、第七纵队、第四纵队、第八纵队组成的东、西两突击兵团向拥挤于南北约两公里、东西约三公里的狭窄地域的李仙洲集团，发起向心突击，采取穿插分割战术仅经五小时，歼灭该集团，俘李仙洲。第七十三军军长韩浚率余部千余人钻隙撤入吐丝口，会合新编第三十六师向博山方向撤退被部署于青石关地区担任阻击的第九纵队歼灭。华东野战军乘胜发展攻势，收复胶济铁路西段及其两侧的县城十三座，使鲁中、胶东、渤海根据地连成一片，改善了山东战场的作战态势。
莱芜战役期间，华东各级支前机构和民工支前制度已趋于完善。
中共〖中〗央华东局在战前还专门发出了加强战勤保障工作的指示，要求各级最有威望、最有能力的党政主要负责人亲自主持支前工作。战役期间，在通向战区的漫长补给线上，五十万民工日以继夜地前送粮弹后送伤员。当我军改变作战方向后，广大民工也迅速调转方向，向莱芜地区紧急输送粮食弹药。实践证明战区支前工作发动的充分和组织的严密，是保障战役、特别是大规模〖运〗动战役胜利的一个重要因素。
莱芜战役中也充分暴露了国民党军内部的派系矛盾。正如战后敌军的一些高级军官所说的：政治上的派系之争反映为作战指挥上的不统一。陈诚与何应钦的矛盾，直接体现在战役指挥上陈诚与王耀武的分歧上。这种情况，促使不少高级军官间离心离德，人人自危，宁愿在战后的战役检讨上打官司，而在战场上则各保实力。
一九四七年一月中旬鲁南战役结束后，陇海路以南整个苏皖地区转入敌后游击战争环境。华中野战军主力北上转入山东。根据中共〖中〗央指示华东根据地对党政领导机构进行了调整，部队进行了统一整编。
中共华中局并入华东局，苏皖边区政府取消：新四军军部改为华东军区机关，取消原有的山东、华中两个野战军的番号，正式成立华东野战军以陈毅为华东军区司令员、华东野战军司令员兼政治委员，饶漱石为华东军区政治委员，粟裕为华东野战军副司令员，禅震林为华东野战军副政治委员。华东野战军下辖第一纵队、第二纵队、第三纵队、第四纵队、第六纵队、第七纵队、第八纵队、第九纵队、第十纵队、第十一纵队、第十二纵队，共十一个步兵纵队和一个特种兵纵队。除留苏皖地区兼苏中、苏北军区的第十一纵队、十二纵队纵队外，能够集中使用的野战军主力为九个纵队约二十七万人华东军区部队约有三十万人。
鲁南战役后，蒋介石错误地判断华东军区部队伤亡重大，不堪再战遂急忙调集五十三个旅三十一万人组织“鲁南会战”南线国民党军以整编第十九军军长欧震指挥八个整编师二十个旅（整编军相当于兵团），组成主要突击集团自台儿庄、郯城、城头一线北犯临沂。北线国民党军以第二“绥靖”区副司令长官李仙洲指挥三个军九个师（未整编），组成辅助突击集团，由明水、周村南犯莱芜、新泰，进行南北夹攻，企图迫使华东野战军主力在临沂地区与其决战。
针对国民党军的作战企图，华东野战军决心集中主力二十四个师的兵力，将诱北犯之敌诱进至适当地区，选其突出的一路围而聚歼。
一月三十一日，南路之敌开始北犯，但由于进攻之敌齐头并进，稳扎稳打，不便分割歼灭。自胶济路向南进犯的北线之敌李仙洲集团先头部队，于二月四日到达莱芜。华东野战军认为与其待机过久，不如主动放弃华东军区首府临沂，遂决定迅速北上求歼李仙洲集团。二月十日，华东野战军除留第二纵队、第三纵队伪装主力阻击南线之敌外，主力隐蔽兼程北上。十九日，华东野战军各部逼近莱芜、颜庄地区。二十二日，北线之敌第四十六军由新泰退至莱芜与第七十三军汇合，华东野战军即将该敌包围。二十三日，莱芜被围之敌向北突围，战至中午华东野战军攻占莱芜城，切断了北逃之敌的后路。随后，华东野战军主力自东、西两面发起猛烈攻击，至下午五时，将敌人全歼，战役结束。