封振武对此颇有难色：二分区的3个团都是新建不久，装备也差，能抗击四十六军2.3万人一个星期吗？陈毅看出了他的顾虑，便说：“当年诸葛亮大摆空城计，身边只有两个老兵和一个琴童，迷惑了握有重兵的司马懿，你现在有3个团的兵力还不能同敌人周旋一番吗？你这个阻击战打得越好，越有利于我们大部队调整部署。”然后说：“详细情况请粟裕司令给你说吧！”
粟裕把封振武带到地图前，向他讲明情况并交代这个仗的具体打法，对他说：“这次给你的任务很艰巨，但也有许多有利条件，完成任务不成问题。
首先，敌人这个部队同他的上级有矛盾，对南犯蒙阴不甚积极，正处在进退两难之际。另外，你们可以打出主力部队的番号，虚张声势，迷惑他们。陈军长不是教你唱空城计吗，就是要造成敌人的错觉。古时不是有个孙膑战庞涓的故事吗？孙膑用每日减灶的办法诱庞涓上当，你这次不妨以增灶的办法，使敌人摸不清我们的虚实……”封振武的思想大开了窍，信心百倍地执行任务去了。
对于李集团的行动，陈毅和粟裕等是极其关注的，早就派出侦察人员到北线活动。2月10日，据报在蒙阴前面抓到了国民党一个姓李的“高级特务”。
送来一看，这人竟是派到敌整编第四十六师去同该师师长韩练成联络的敌工科长杨斯德。原来经过中共南京办事处的工作，解放军早与韩师长取得了联系，并派了杨斯德和刘贯一两人到该部联络。这次是韩师长托杨斯德来通报情况的。此后，刘贯一也受托来汇报过。陈毅曾嘱刘贯一转告韩练成：第一，希望他努力民主事业。第二，中共中央和陈毅本人对他是信任的。第三，彼此之间的联系不便向下面讲，因而发生摸哨之类的事在所难免，不要见怪。
在这期间，陈毅的作战方案步步实现。自从主力于2月10日北上后，留下的第二、三纵队打着全军各纵队的番号在临沂外围阻击敌人，颇有一番准备“决战”的表演。坚持了5昼夜之后才后撤。敌人于15日进占临沂后，鼓吹“大捷”，宣称“在临沂外围歼共军16个旅”。第二绥区司令官王耀武却从航空侦察中发现大量解放军部队在向北行动，对进占临沂的“捷报”产生怀疑，判断华野系放弃临沂掉头北上，赶紧在16日命令李集团缩回莱芜、颜庄地区。但蒋介石、陈诚却相信了他部属制造的“捷报”，又得共军在运河上架桥，有西渡模样的情报，认为共军“东临大海、西际湖山、局促一隅，流窜非易”。“似将在东阿、范县间渡黄河”，因此严令李集团再度南进，确保新泰、莱芜，并派部队向蒙阴、大汶口侧击“陈匪”。同时又令第十一师、第六十四师等部西开临城，沿津浦路北上兜堵“奸匪”。
19日这天，蒋介石在南京“军官训练团”作《剿匪战役之检讨与我军今后之改进》的演说时，大放厥词。他说：“现在关内的匪军约可分为五部……此五部中，就我的观察，以陈毅一部最为顽强，训练最精，诡计最多，肃清最为困难。但自国军收复苏北攻克临沂以后，陈毅已失其老巢，就再不能发生过去一样大的作用了。”然而就在此时——2月19日，陈毅率领的主力已在莱芜东西地区形成了对其李集团的包围态势。直到这时，敌人才判明了华野的真实动向，赶忙命令李集团再向莱芜收缩，并令第七十三军的七十七师自博山南下归建。但要摆脱被歼命运，为时已晚。针对敌情，华野指挥部确定了攻击部署。
部署完毕，已是2月20日，陈毅又接见从敌整编第四十六师归来的刘贯一，陈毅将作战步骤告诉了他之后，要他掌握在攻歼李总部时不让韩去增援；为了求得此次战役的彻底胜利，要他二人继续留在韩部积极活动，动摇韩部军心，并要防备对方在紧急情况下可能反脸而产生的危险，要机动灵活，沉着应战；要刘立即返回颜庄韩部，等到晚间10点半炮响时，再把我们的决心和布置大体告韩，但不能过早泄漏秘密，否则会对战役增加很大困难。最后陈毅深情地同刘握手，对他说：“我代表党中央和华东局向你们二位同志表示党对你们的态度，党对同志们是非常爱护和关心的，为了完成这一光荣任务，需要你们两位同志去担当。要留下你们两个人继续在那边同两万三千敌人斗争。”这使刘贯一十分激动，他说：“党和上级耐心的教育了我好几年，我虽然质量不高，但是在任何情况下决不能向敌人屈服，请上级放心！杨科长的质量比我高的多，他也决不能向敌人低头，亦请首长放心！”这样，他们告别了。
这时，莱芜城东北方向发生了战斗，作战室向陈毅报告，这天早晨，敌第七十七师由博山南下，午后到达莱芜城东北之和庄、不动（地名）地区，预伏在该地区南北一线山地的第八、第九两纵队主力立即发起突然攻击，战斗进展顺利。陈毅十分高兴，对粟裕说：我们前后改变了7次作战方案，总算把李仙洲抓住了。当晚10时半即下令全线发起进攻。
21日晨，已报到首战告捷：敌七十七师已被全歼，攻城部队已占领莱芜以西以北的各要点，包围了敌人粮弹囤集点吐丝口镇，并攻占了锦阳关，只是未能切断敌整编第四十六师与七十二军之联系。22日上午，第四十六师缩进莱芜城，指挥部立即将第一、二、七纵队和第四、八纵队分别组成东西两个突击兵团，如敌固守莱芜，则从东、西两面实施强攻；如敌向北突围，则以第六纵队一部位于吐丝口以南坚决堵击，而以东、西两突击兵团合击突围之敌于莱芜、吐丝口之间地区。
李总部率两个军缩集于小小莱芜城，满城是兵，军心动荡，李仙洲束手无策。22日，王耀武令其迅速向北突围，退保济南和胶济路，指挥部查明这一情况，立即在莱芜、吐丝口之间布置了一个口袋阵以迎敌。23日晨，第四十六师师长韩练成毅然接受刘贯一、杨斯德的劝告，放弃了指挥，脱离了部队，隐藏在城内。韩的行动使敌军产生了混乱，敌人开始拥出城门向北行动，先头在吐丝口以南遭到顽强抗击，前进受阻，到中午，敌后尾脱离莱芜城。
华野立即占领该城、断其后路。下午1时前后，华野部队从四面八方向敌人猛攻，穿插分割，坚决消灭负隅顽抗的敌人。到下午5时，战斗结束，活捉了李仙洲。第七十三军军长韩浚率1000余人窜入吐丝口，纠合新三十六师残部向博山方向逃窜，在青石关被第九纵队全歼，韩浚也被活捉。一个被俘的团长感慨万千，他说：“就是捉5万只鸭子，也得费点功夫啊！”陈毅考虑到韩练成将军还须留在国民党军中工作，便让他带了卫队等100余人从莱芜东南山区“逃出共军的天罗地网”，向青岛方向而去。
战役结束的当天下午，蒋介石便带着俞济时从南京飞到济南，把王耀武骂了一顿：“你们只是在莱芜这个战役里就损失了两个军和一个师，损失了这样多的轻、重武器，增加了敌人的力量，这仗以后就更不好打了！”
失去了临沂“老巢”的陈毅此时却和粟裕、谭震林一起愉快地报告中央军委：“莱芜战役已于梗午结束……残敌正肃清中。此役共歼顽敌计17个步兵团加24个直属营约5万余人，另击溃暂十二师等部。个团之援队，详细战果以后续报。”“俟明晚全部情况明了，即派十纵、九纵向博山及胶济线推进，首先攻击铁道一段，我军大部争取三、五日休整再全力奔北。”
电报发了，便开晚饭。野司一位测绘员在他的日记中写道：“晚饭后，军长夫妇在广场上开汽车，粟带着家小爬山打枪，谭坐军长的车子，张参（按指副参谋长张元寿）在观看，和我们一群群真是象征着胜利后的自由愉快。”
28日，陈毅等遂率华野司令部移驻淄川东南之大矿地。
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