顽军吃过新四军的亏，并不轻易上钩。起初，前敌总指挥李觉还是比较谨慎，再三告诫各部：“不要受骗上当，丛林深谷，容易埋伏，务必严密搜索。”如果说新四军新登撤退时的“败退”迹象没有打动他的心的话，那么，再退临安，甚至撤出战略要地天目山，就没有理由不使李觉相信新四军真的是败退了。
粟裕有意让部队放松看管，一些顽军俘虏跑回去报告说：“新四军真的在败逃！”
再狡猾的狐狸终究要败在精明的猎人手下。顽军被粟裕一系列的示形假象所迷惑，第三战区司令长官也开始相信新四军真的是败退了。
6月9日，顾祝同电令李觉以有力兵团肃清东西天目山新四军并筑碉固守，主力组成左右两个“进剿”兵团，依托东西天目山，分由临安、宁国两地向孝丰分进合击，务期一举略取孝丰，求歼新四军主力；并续调突击总队第二队和第一四六师前来参战。李觉接令后即调整部署，右“进剿”兵团由七十九师、突击一队、突击二队（欠两个营）组成，以突击总队副司令胡琪三为指挥官；左“进剿”兵团为五十二师、一四六师、独立三十三旅、挺进第二纵队和“绥靖”第一纵队、第二纵队，以江南苏皖边区“绥靖”指挥部指挥官刘秉哲为指挥官；中路担任扼守东西天目山各隘口，并策应左右各兵团作战，由第二十八军军长陶柳指挥，下辖第一九二师和第六十二师的1个团，“忠义救国军”第一、第二、第三纵队各3个团和新编第一团；场口及新登附近由挺进第三纵队和浙保第四纵队担任守备。总兵力共15个师7.5万人。李觉限令各部于15日前完成各项准备，18日前占领各出击要点，19日开始全面进攻。
大军直指孝丰，大有黑云压城城欲摧之势。顽军妄图一举攻占孝丰，围歼苏浙军区新四军；围歼不成也要把他们赶回苏南，或逼他们退入杭嘉湖地区，假日伪之手予以消灭。
李觉不无得意地向顾祝同报告：“据各部报称，18日止，东西天目山已无敌踪，扫荡之战，于焉告终。”
粟裕此时保持着极为冷静的头脑，他对敌情作了进一步分析判断，认为：顽军这次进攻兵力虽然众多，但其中路“忠义救国军”和二十八军的主要任务是扼守天目山隘口，意在牵制我，防我再次向南突进。该两部两次受我打击，不敢轻进。西路即左兵团虽有6个师的兵力，但第一四六师担任守备的占了两个团，只一个团参加第一线作战，并且是担任翼侧掩护；挺纵、绥纵等部或守备或跟进配合，只是起辅助作用；进攻的骨干力量是五十二师和独立三十三旅。独立第三十三旅虽然编制、装备、战斗力与正规师相等，但这个旅为保存实力好打滑头仗，拣便宜时进得快，碰硬时也溜得快，不会真正出力。第五十二师的一个团在上次作战中已受到歼灭性打击，这次我们要对付的主要是另外两个团。东路有三个师兵力，突击总队虽然是精锐部队，但我们已与之较量过。突击第一队同第七十九师在新登作战中均被歼一部，战斗力大损，突击第二队前来参战的只占该队的五分之三。所以对东西两路的任何一路，我集中力量都有把握予以歼灭。顽军仍然是分进合击，我必须仍以各个击破对付。
粟裕还对顽、我兵力、战斗力等进行了量化对比，真正做到知彼知己。他认为：在兵力上，我虽只有主力3个纵队的9个支队和1个独立二团共2万余人，顽我兵力总对比是3比1强，但我已完全集中，对付其一路尤其是集中对付其中一个部队，则我又将是优势。而且各部队经过前2次作战锻炼，协同动作和战术运用都有提高，已逐渐适应山地作战，兄弟部队间相互了解，团结信任，抢挑重担，对顽军脾性特点也已摸到，经过几天休整体力有所恢复，粮食尚能勉强维持，部队求战情绪高，地理、群众条件转为有利于我。顽军已脱离其既设筑碉地带，打运动战正是我军之长。
敌情明了后，粟裕立即排兵布阵。顽军左右两个集团远距离分头开进，前进速度不一致。第五十二师好大喜功，行动积极；东路右集团却按部就班步步为营，加上苏浙军区以小部队进行麻雀战迟滞其行动，前进缓慢。粟裕决定采取先阻东打西、后阻西打东的战法，连续作战各个击破两路顽军，并把作战分成两个阶段：第一阶段，先歼西边的顽左翼骨干第五十二师，相机求歼独立第三十三旅；第二阶段，视情况发展移兵东向，再歼顽右翼集团。
粟裕以第八、第十一两个支队和独立第二团组成阻击集团，任务是在孝丰周围既顶住顽军的进攻，又拖住它不使脱离。以第一、二、三、七、九、十共6个支队组成突击集团，位于孝丰西北地区伺机出击。已进入敌后的第十二支队仍隐伏在莫干山以东待机。
6月18日，顽第三十三旅为了抢头功，谎报军情，宣称已夺取孝丰城。第五十二师师长张乃鑫连忙派侦察排长带人去孝丰城联系，结果被游动在孝丰城郊的新四军侦察部队抓住，连人带信押送到粟裕面前。俘虏的口供印证了粟裕已掌握的情况，顽五十二师不再步步为营，而是孤军深入了。此时东路顽军仍然按部就班前进，先头部队与五十二师距离达20公里。粟裕估算，我以6个支队围歼第五十二师两个主力团，有把握在两天之内解决战斗。顽东路军想在这两天之内与五十二师会合这是绝不可能的。
歼敌良机终于出现了。粟裕以军事家特有的敏锐牢牢把握了这一战机。
六、天目山第三次反顽大捷。中共中央高度评价粟裕。
1945年6月19日夜晚，云淡星稀，风平树静。粟裕果断下达了反击命令，第一纵队第一、二、三支队对付顽第一五四团，第三纵队第七、九支队和第四纵队第十支队对付顽第一五五团，分别进行包围歼击。反共急先锋五十二师一心想再做“皖南事变”中伏击新四军军部那样的美梦，扬言“再打一个茂林，完成皖南剿共未竟之功”。新四军苏浙军区部队针锋相对提出了“为‘皖南事变’死难烈士报仇”这一激励人心的口号。
双方刚一接触，顽第五十二师还以为这是新四军小部队的夜间骚扰。紧接着枪声四起，战斗越来越激烈。顽五十二师发现情况不妙，各个方位的退路已被截断。第一纵队一部楔入顽五十二师与三十三旅接合部，直插杭岭头第一五四团团部。顽第一五四团指挥中断，一片慌乱。第一纵队顺势将独立第三十三旅的1个营歼灭，独立第三十三旅害怕被围，仓皇溜走。
天亮时五十二师的两个团已陷入新四军重围之中。
围歼第五十二师是整个战役的关键。粟裕与钟期光站在山头上观察战场，及时处置瞬息多变的情况，调整部署，指挥战斗。突然，粟裕从望远镜里发现对面山头的敌人正在组织炮击，当机立断拉着钟期光迅速离开。他们跑出不远，敌人的炮弹打过来了，正好落在他们原来站立的地方。几十年后钟期光回忆说：“这个惊险场面，终身难忘。”
20日下午，歼灭第五十二师已成定局。比原计划少用了一天。粟裕决定加快战役进程。此时，中路的“忠义救国军”、第二十八军奉令驰救第五十二师，但他们害怕被歼未敢轻动。这正符合粟裕的预料。粟裕应付裕如地把指挥重点从西线转向东线。他命令守备集团调整任务抽出八支队乘夜潜入顽右兵团阵地，切断顽军东南退路。命令突击集团除留第九支队收拾残顽并负责西线警戒外，其余全部东移。命令守备部队放开道路让顽右兵团进入孝丰空城。命令预伏在莫干山以东的十二支队21日晨赶到白水湾、港口地区，抄袭顽右兵团后路，堵住顽被包围后的惟一缺口。
粟裕的回马枪杀得如此迅速有力，连第五十二师一夜间就被歼灭李觉尚不知情，仍错误地认为新四军主力还在孝丰以西与第五十二师激战，电令右兵团连夜向孝丰、鹤鹿溪挺进，协同左兵团夹击。
顽突击第一队一部进入孝丰空城，见势不对急忙退出，但已来不及了。顽第七十九师与新四军在孝丰城东北制高点五峰山展开了激烈争夺。新四军抢先5分钟占领山顶，把第七十九师打了下去。
决战时刻临近了。
粟裕命令第四纵队第十支队从孝丰正面向东出击，打乱了顽敌部署。
粟裕命令第八支队由正面阻击转为乘夜间挥兵东进，插向东线顽军第七十九师和突击第二队的腹心地带。
粟裕及时从围歼第五十二师的战场调回了第七支队，向顽军第七十九师防地发起攻击。
敌我双方出现了互相分割、互相包围的混战局面。最后，第八支队在第七支队有力支援下，打得敌人四处逃窜，乱作一团。
作为粟裕一着“伏子”的第十二支队，这时按粟裕命令从莫干山地区迅速奔赴孝丰战场，投入到最需要兵力的地方，突然出现在顽军溃退路上，犹如一把利剑横挡在南逃顽军胸前。
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