陈毅在香城召开了团以上干部会议，传达中共“七大”精神，并作反内战的动员。他以简明通俗的语句表达了自卫作战的理由和决心：“此山是我开，此树是我栽，谁敢来摘果，把枪缴下来！”
当时兵力的部署安排是这样的：自北向南，以渤海军区武装控制并破袭济南以北铁路，使到达济南的国民党2个军不能继续北进；以山东第三、第四师及鲁中警备三旅进攻泰安、兖州之间日伪军；以山东八师及鲁南警备八旅进攻邹县至临城间日伪军；以鲁南警备九旅进迫徐州、临城、枣庄以钳制敌人。总之，在济南至徐州沿线，共集中了20个团的主力。指挥所根据当面敌人情况，决定采取轮番使用兵力的战法，使部队在长途行军后的连续作战中，仍能保持有力的突击力量。
10月18日，山东军区第八师主力首先发起战斗，以奔袭手段从邹县东、西门连续爆破成功，全歼守城伪军2500余和日军200余人。接着又迫使邹县南侧日军300人投降，控制了邹县以南80余里铁路，山东第三、第四师则攻克大汶口，控制了南北铁路20余里。至此，国民党徐济间交通再度被切断。
10月下旬，国民党徐州绥署以第十九集团军率第九十七军及骑八师进至临城，另以第五路军吴化文部在日军掩护下自膝县向北，以伪山东特务旅自兖州向南，企图南北对进，首先打通兖州、膝县间交通。
此时的陈毅，手中兵力未集齐，而山东主力第三、第四两师又很快要渡海北上，他分析当面敌情：敌主力也尚未到达，而吴化文第五路军脱离工事完全处于运动之中，攻歼较有把握。因此，指挥部决心以山东主力第八师，加上新四军刚入鲁的部队第九旅、第五旅，以伏击手段歼灭吴化文部。
11月3日午后1时，当吴化文部以日军打头阵，运动至伏击圈内时，各路伏兵按预定计划分路出击，仅经两小时激战，即将敌大部歼灭，吴化文单人匹马逃走。此役俘敌军、师长以下4000余人，控制铁路100余里。
捷报声中，阔别一年多的张茜从淮阴、临沂来到香城。陈毅去看望新四军二纵司令员罗炳辉时，和张茜并马前往，一路欢声。11日，中共中央给陈毅发来电报说：“庆祝你们歼灭吴化文胜利！准备战胜必然要来的大举进攻，集中部队向铁路南北扩展。”当日，警备八旅又歼灭从两下店北犯的日伪军。
当夜，山东八师主力奉陈毅命令沿津浦路西侧南下，进迫临城，其二十三团向临城以西的柏山守敌发起了进攻。一营三连班长陈金合在临城援敌眼看逼近，敌堡未攻克，守敌将无法全歼的紧急情况下，毅然摘下帽子摔给连长作为诀别，冲到敌碉堡前拉响了一枚特大型快速手雷，瞬间火光冲天，敌堡摧毁。陈金合却已粉身碎骨，以自己宝贵的生命换取了战斗的最后胜利。
陈毅听到消息，深为感动，给以极高的评价说：“陈金合是实际战争的领导者，是彻头彻尾的共产主义英雄！”一个学习陈金合的热潮很快形成。
为进一步扩大对津浦线的占领，指挥部又决定以原有主力加上刚由淮南北进的新四军四旅、十九旅，分别先后攻克了临城外围的沙沟、官庄等据点，使敌人缩踞在临城固守。临城工事坚固，且有炮兵、航空兵支援。陈毅据此情况决定包围临城突然撤兵，以第八师攻滕县，以第九旅攻小窑、陶庄。
八师的滕县攻坚战打得十分出色。先打外围，全歼蒋军新二师，俘师长以下2000余人，缴获山炮2门。滕县城内守军共约9000人。战斗于18日黄昏发起，刚成立12天的山炮连首战以17发炮弹便命中15发，有效压制了敌火力。突击部队连续爆破，冲入城内。经两夜一日激战，仅以400人伤亡，歼灭了数量上与己相等，而火力优于已方的敌军，共俘旅长以下7600人，击毙师长以下1000余人，缴6门山炮及其它弹药物资甚多，获得全胜。然而在战斗中，亲临阵前观察敌情地形的八师师长兼政治委员王麓水，却不幸中弹牺牲。其后，陈毅和黎玉到八师视察，沉痛地参加了在城西举行的追悼会。
与此同时，第9旅也胜利攻克了小窑、陶庄两地。
津浦前线作战胜利，使陈毅所部控制了津浦路共260里长和临枣路40里长的铁路线，歼灭了大量蒋、日、伪军，使国民党迅速打通津浦路的企图终告失败，同时，也改善了山东部队的作战阵地及装备，掩护了主力的调配集中。在这一时期，华中野战军也完成了北调、集中和整编任务，并攻克了盐城、高邮等地，改善了作战条件，也锻炼提高了部队。总结回顾这一时期作战经验，陈毅深深感到“解决从游击战转到运动战的许多实际问题，强调兵种协同、步炮、攻守协同十分重要。”据此，他抽调部队进行临时整训，指示团以上干部学习毛泽东所著《中国革命战争的战略问题》，同时要新四军部队认真组织学习八路军部队的爆破攻坚技术。这些都显示了陈毅在从分散游击战转向大兵团运动战的初期，对部队的适应与转换能力的提高，已给予极大的重视。这是自红军诞生以来，人民解放军的一个历史性大转变。而在取得初步胜利的同时，也暴露了许多问题和弱点，如何克服它们，将是今后一时期陈毅面临的重要问题之一。
1946年1月7日，中共中央军委决定成立山东野战军（简称山野），并以新四军军部兼山东军区，陈毅任山东军区和山东野战军司令员，张云逸为军区副司令员、黎玉为军区副政委兼野战军政委。同时明令规定，以粟裕为司令员，谭震林为政委的华中野战军，在战略行动上归陈毅指挥。
从当时全国战场看，国民党军在津浦线受阻、被歼的同时，又在上党、邯郸两战役中丧师6.5万人，这更加暴露出其战争准备尚未就绪的弱点，加之国内“反内战，要民主”的呼声高涨，国际舆论也有压力，因此蒋介石请出了美国人，出面“调停”国共争端，解救自己的不利处境。至此，国民党方面不得不在关内暂停军事上的冒险进攻，和中国共产党签订了停战协定。
双方共同宣布，于1946年1月13日实施全面停战。
然而，谁能相信这就是永久的和平呢？陈毅司令员告诫部属：和平谈判是高级领导人的事，你们部队的责任就是准备打仗。
第二节 从和谈走向战争
1月28日，一架飞机飞至临沂上空，投下北平军事调处执行部的一道军令，要求仍交火的国、共双方停止冲突脱离接触。陈毅研究后亲拟回电，表示遵照执行，但“我地区被我包围之敌伪城市仍应由我受降，此乃我敌后抗战八年应得权利”。2月2日，济南执行小组美方雷克上校又飞来临沂，与陈毅会晤两天。陈毅首先揭露国民党进攻事实，而后又作某些克制让步；据事实讲道理纵横天下申明自己的立场主张，又不失幽默风趣；终与雷克达成几项口头协定。在回去的飞机上，雷克对同行人说：“象陈毅将军这样有才能的中国军事将领，我还是第一次见到。”这以后，雷克上校以及徐州执行小组美方代表哈里斯上校及驻青岛美军司令克莱门将军等，数次去临沂拜访陈毅。克莱门在谈话中劝共产党妥协以占政府一席位置，因为顾祝同在徐州就有30万军队，共产党无力对抗。陈毅回答：他只要用5万兵力就能进占我这个临沂，但10个师进来容易，如果要出去1个师也难出去。”美国西点军校出身的克莱门将军瞠目以对，陈毅侃侃而谈，从军事辩证法，美国独立战争直谈到解放区的煎饼大葱，充分利用此机会分析形势，阐明真相。给克莱门印象极深。通过各种接触，陈毅在美军军官及许多民主人士中，争取了大量同情者。
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