蒋介石为了“起死回生”，起用日本战犯冈村宁次为顾问，提出了“并进不如重迭，分进不如合进，以三、四个师重迭交互前进”的指导方针，重新编组进攻兵团。将进攻军队主力9个整编师共25个旅调集在莱芜至蒙阴不及100华里的正面上，摆成方阵，于6月25日再次向鲁中山区发动进攻。26日午后，蒋机把悦庄、南麻一带炸成一片烟海。
鉴于蒋军兵力集中，一时难以分割歼击，陈毅与粟裕、谭震林于28日、29日商定了各路派兵挺入敌后的方针，并于29日命令陈士榘、唐亮率三、八、十纵队转赴莱芜、泰安、大汶口之线，执行歼击八十五军或十二军一部或大部之任务；命令陶勇纵队由临蒙线西进歼冯治安之一个团，尔后或向西北或向西或向南，视情况决定。当晚，以上各部都已行动。
第二天，收到了中央军委29日12时发来的一份电报，提出了新形势下的作战方针，希望陈、粟、谭提出意见，以便决策。军委的电报说：“蒋军毫无出路，被迫采取胡宗南在陕北之战术，集中9个师于不及百里之正面向我推进。此种战术除避免歼灭及骚扰居民外，毫无作用，而其缺点则是两翼及后路异常空虚，给我以放手歼击之机会。你们应以两至三个纵队出鲁南，先攻费县、再攻邹、滕、临、枣，纵横进击，完全机动，每次以歼敌一个旅为目的。以歼敌为主，不以断其接济为主。临蒙段无须控制，空费兵力。此外，你们还要以适当时机，以两个纵队经吐丝口攻占泰安，扫荡泰安以西、以南各地，亦以往来机动歼敌有生力量为目的。正面留4个纵队监视该敌，使外出两路易于得手。以上方针，是因为敌正面既然绝对集中兵力，我军便不应再继续采取集中兵力方针，而应改取分路出击其远后方之方针，其外出两路兵力，或以两个纵队出鲁南，以三个纵队出鲁西亦可。”陈毅等当即进行了研究。很明显：军委这个新方案改变了过去要求华野不分兵、坚持内战歼敌的方针，陈、粟、谭觉得，中央军委的这个改变，在电报上只提到根据于山东当面的敌情的变化，而在全局上看，刘邓大军必将出击，未来的战局必有新的重大变化。当时，由于敌情严重，华野已在分兵，陈、粟、谭未再根据当面情况研究并制订一个新的方案上报军委，而是按照军委的意见执行，由陈、粟、谭“率二、六、七、九4个纵队在沂水东里店以东地区待机”。
陈毅和粟、谭于30日一面将以上部署报告军委，并预计“如我西进部队各路均达成歼击敌军之任务，敌局势必变，集中东进之10个师必被迫分散回援或集中回援，届时我们手中4个纵队似有良好出击机会。”一面将“军委指示”‘转各出发部队依照执行”。
但是，在华野分兵后，陈毅接到中央军委7月2日来电，除指出陈、粟、谭6月30日的分兵部署甚好外，还要求陈士榘、唐亮率领的3个纵队在打泰安得手后，“收复肥城、东阿、平阴、宁阳、汶上、济宁，与刘、邓直接联系后，并应准备出鲁西与刘、邓协同打陇海路，出淮河开展新局面”。“我军必须在7天或10天内，以神速的动作，攻取泰安南北及其西方、西南方地区，打开与刘、邓会师之道路”。此后，中央军委又决定叶飞、陶勇两个纵队也向鲁西南挺进。这样，陈、粟、谭在6月底实行的这次分兵，便成为华野部队执行外线出击任务的开始。而当刘邓大军开始向大别山跃进以后，中央军委在11日电示：“总的意图，将战争引向国民党区域，使我内线获得喘息机会，以利持久。显然，全国主要战场已由山东转向中原，战略重心已由内线转到了外线。当此解放战争由战略防御转入战略进攻的重要关头，陈毅既要领导华东全军打破敌人的重点进攻，又要配合刘邓大军挺进中原，还需准备自己不失时机地转入战略进攻。在这严重时刻，又一个雨季到来了，陈毅将在第二个雨季中赢得解放战争的又一个考验。
当6月30日华野3路分兵之时，刘邓大军依据中央军委总的战略计划，强渡黄河，对鲁西南地区之敌展开猛烈进攻，连续歼敌获胜。7月7日，华野第一、四纵队全歼费县守敌一个旅，击溃援敌另一个旅。同日，第三、八、十纵队向津浦路大万德、大汶口段实施进攻，守敌大部逃窜。9日，第一纵队又收复峄县、枣庄，迫敌第三绥区各部退守运河沿线。由于刘邓大军的攻势异常猛烈，华野第一、四纵队逼近津浦路，第三、八、十纵队于13日渡过汶河，向宁阳、曲阜前进，严重威胁蒋军后方基地兖州、徐州等地。鲁中的敌人在占领沂水、东里店后停止向东进犯，改变部署，调第五军等7个整编师自13日开始陆续后撤西援，企图配合其后方各点守敌，先夹击华野转入反攻的5个纵队于鲁南及兖州、曲阜地区，然后再救援鲁西南。鲁中山区的大量敌军调走了，仅留下第十一、六十四、二十五、九等4个整编师。蒋军企图以“重点进攻”战略在鲁中山区击破华野主力的计划遂告破产，一个极为有利的形势在当面展现出来。陈毅在胜利形势的鼓舞下，与粟、谭商定，遵照中央军委指示，命令各部继续向敌展开猛烈进攻。其结果，正如后来陈毅所说：“因雨季没有打好仗。打敌十一师（7月17日至21日在南麻），5天5夜只消灭1个团，（7月24日至30日）在临胸5天5夜只消灭2个营，打费县消灭1个旅，打泰安敌人逃跑了。7月打8仗只有3仗打好。”
华野指挥部从临胸前线撤出后，辗转经益都到达陈家。8月4日这天，粟裕起草了关于南麻、临胸战役的初步总结的电报报告中央军委，引咎自责。
陈毅对此甚感不安。他始终认为，几仗未打好，彼此有责，不能由粟裕一人承担责任。其时，陈、粟、谭已经研究确定，由谭震林组织一个指挥机构率领第二、第七纵队前去胶东休整。出发前，谭震林挤出时间给粟裕写了一封信，谈了自己对这次战役的看法，请陈毅转交，陈毅当着谭震林的面将信看了一遍，准备3人一起把问题谈通。但由于指挥部即将移动，未能安排出时间。当夜，野战军指挥部经由临淄西关、索镇到达郭店。陈、粟在处理其它紧急公务之后，作了彻夜长谈。8月6日，陈毅写了份“指人译”的电稿，报告中央军委和华东局：
“（一）……最近粟、我共谈，粟态度可佩，昨夜长谈，对今后共同工作很有好处。
（二）我认为我党廿多年来创造杰出军事家并不多。最近粟裕、陈赓等先后脱颖而出，前程远大，将与彭（德怀）、刘（伯承）、林（彪）并肩迈进，这是我党与人民的伟大收获。两仗未全胜，彼此共同有责，不足为玻谭、我本此观点，互相研究教训，粟亦同意……
（三）我本挽三人共谈，谭因东行，故谭未参加。谭临行遗书，此书临别我看了一遍，对粟有帮助，……我们对战役指导部署历来由粟负责。过去常胜者以此。最近几仗，事前我亦无预见，事中亦无匡救，事后应共同负责，故力取教训以便再战。军事上一二失利实难避免，虚心接受必为更大胜利之基矗……”这份电报，当时的译电员特别注明“错字尚多”，以后己不能订正。但就是这样，作为一支野战军的统帅，陈毅那种为党和人民革命事业的赤诚，那种深明事理、知人克己的恢宏器度却跃然纸上。
陈毅是如何“力取教训以便再战”的呢？后来他曾说：“一年来战争出现这样的规律：“此起彼落”。“先打几个胜仗，又碰了钉子，又打了几个胜仗”。“我党20余年的历史也是胜败的反复，胜利了便轻敌，种下栽跟斗的因素，失败又是胜利的因素。领导上主要是在栽跟斗之后，如何领导爬起来。”
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