鲁南战役后，苏皖地区进入游击状态，华东野战军主力撤出苏皖转入山东，在临沂地区休整待命。临沂是山东解放区极其重要的战略枢纽。
蒋介石判断，华东野战军撤出苏皖，必定是“伤亡惨重，再战能力不强”，而且会死守临沂，想趁机消灭华东野战军，占领解放区。于是，蒋集结30万大军，分南北两线夹击华东野战军。
南线欧震兵团辖8个整编师，作为主力突击兵团分左、中、右三路北上进攻临沂。左路是胡琏的第11师、第64师和第59师；中路是李天霞的第74师、第83师和第7军；右路是黄百韬的第25师、第65师和第67师。另有做过伪军的郝鹏举部，部署在黄百韬东侧打掩护。
北线王耀武、李仙洲指挥3个军作为辅助兵团，南下进攻莱芜、新泰，企图与南线兵团形成合围，在临沂与我军展开决战。
南线重兵压境，根据中央军委指示“诱敌深入，集中绝对优势打敌一路”。粟裕最初设想挡住中路，孤立左路的胡琏集团，集中歼灭。但胡琏狡猾的狠，中路上不来，他就原地不动，绝不冒进。后来又想把挡住左路，孤立中路李天霞，奈何李天霞也不傻，不会轻易冒进。
最后，陈毅、粟裕二人商议，先打负责掩护的郝鹏举部，战斗很快结束了，生擒郝鹏举，但右路的黄百韬更精，眼看着郝鹏举被打就是不救援，反而又往中路缩了缩，无奈，我军的牵引意图落空了。
这主要是因为刚结束的宿北、鲁南两场歼灭战，敌人五指叉开，被我军各个击破，这次学老实了，不求有功，但求保命，三路兵团像一块铁板，缓慢的往北推进。
这种打法虽然笨，倒也找不到破绽，这样打下去对我军是极大的消耗，时间一长，华野必定被合围。
好在北线的敌军有了动静。
李仙洲部在蒋介石、陈诚的不断催促下，一路快马加鞭进入了我解放区腹地，占领了莱芜、新泰两个重要据点。
华野正发愁找不到打歼灭战的机会，李仙洲这只大肥羊就自己跑过来了。陈、粟二人立即改变战略，放弃临沂，北上突袭李仙洲部，打一个大的歼灭战，既可以保证解放区后方安全，又可以从容应对南线之敌。
华野将“声南击北”的决策上报中央，军委同意后，粟裕留下2个纵队继续和南线兵团周旋，让蒋介石以为华野主力还在临沂，而真正的主力悄悄地急行军北上。留在临沂的“主力”象征性地打了几天，争取了大部队北上的时间，便主动撤出了临沂。为了继续迷惑敌人，粟裕命令地方部队在运河上搭建浮桥，公开征集船只，让蒋介石误以为华野主力要西进，与中野汇合。
国民党占领了临沂后大肆吹嘘，国军鲁南大捷，蒋介石、陈诚都很兴奋，通报全军“最困难的阶段已经过去了”。
北线军司令王耀武头脑还是比较清醒，他深知国军喜欢虚报战功，听着广播里占领临沂的捷报，他突然想到：“那华野的主力哪去了？会不会冲我来了？”王耀武摸不着华野主力在哪，但他知道，一旦解放军主力不见了，那就意味着有人要倒霉了，他不想倒霉，所以急令李仙洲部全线后退。
我军部队还没全部到齐，敌人就撤退了，有些指战员沉不住气，想赶紧开打，至少也要吃掉它的“尾巴”，忙活了半天，吃不上肉总要喝口汤吧。陈毅笑着说到：“别急，沉住气，王耀武当不了蒋介石、陈诚的家，有老蒋在，他们还会把李仙洲送回来的”。
果然，蒋介石相信我华野主力以退出山东，急令王耀武、李仙洲部迅速南下，配合南线兵团，肃清华野残部。
2月20日，华野主力设伏完毕，李仙洲部已是瓮中之鳖，插翅难逃，战斗打响后，全军上下乱作一团，没有退路，没有支援，不到5个小时，73军全军覆没，李仙洲被俘。
蒋介石得到消息，大骂李仙洲：“行军连个侧翼警戒哨都不放，几十年军旅生涯，脑子都长到猪头上去了。”陈诚这个总指挥也气的大骂：“就是放6万头猪让共军去抓，3天也抓不完啊！”
这场战役在粟裕指挥下，以华野伤亡5000人的代价歼灭国民党56000余人，是解放战争以来，单次歼敌最多的战例。
