针对上述敌情，陈、粟等原来准备先打弱敌，首先歼灭冯治安部的整编第五十九师；后来改为先打强敌，首先歼灭马励武的整编第二十六师和第一快速纵队。
为什么作出这种改变？他们认为，这样才能更好地实现中共中央军委的意图，也更加切合当时鲁南战场的实际。整编第二十六师是鲁南一路蒋军主力，消灭了它，华东战局即可好转；若先打整编第五十九师，即使全胜，恐也一时不能从根本上解决鲁南问题。整编第二十六师和第一快速纵队虽是强敌，但它孤军突出，态势对它不利，又与冯治安部有矛盾，冯部不会积极增援，存在着强中有弱的因素。先打强敌，我军虽有不利因素，但有利条件更多，特别是战役一开始就可以集中27个主力团打蒋军6个团，兵力4倍半于敌，占有绝对优势。粟裕说：“选弱敌打，这是我军常用的一条原则。但有时为了迅速改变态势，扭转战局，我们也在有把握或既有一定把握又有一定风险的情况下先打强敌。”（《粟裕战争回忆录》，解放军出版社，1988年11月，第1版，第436页。）
战争的实践告诉我们，这种反常用兵并非违反战争的客观规律，恰恰是适应战争的特殊规律。出奇制胜，常常被视为险着，也确实具有风险性。要做到似险而非险，必须使自己的行动建立在对敌我双方情况科学分析的基础上。历代军事名家都是反常行险的行家。“善用兵者，无不正，无不奇，使敌莫测。故正亦胜，奇亦胜”。粟裕就是这种善于反常用兵、出奇制胜的行家里手。
作战部署确定以后，除谭震林留在苏北指挥坚持华中的部队以外，陈毅、张鼎丞、邓子恢于24日、粟裕于25日先后向鲁南转进，29日又在陇海路以北的桃林会合在一起。经中共中央批准，华东局与华中分局、山东军区与华中军区、山东野战军与华中野战军机关合并，实行统一领导、统一指挥。
1947年1月2日，鲁南战役发起以前几小时，毛泽东仍在关注战役的准备和指挥，他为中共中央军委起草电报询问：“打马励武是否准备完毕？粟及一师是否已至鲁南与你们在一起？”指示：“你们应以宿东战役（即宿北战役）为例，力争打大歼灭战。”（《毛泽东军事文集》第三卷，军事科学出版社、中央文献出版社，1993年12月，第1版，第599页。）
陈毅、粟裕于1月3日联名复电，报告他们已经会合在一起，第一师已经参战，对马励武的作战已于1月2日晚上开始。
陈、粟强调，对整编第二十六师和第一快速纵队的作战，要突然发起进攻，迅速包围分割，各个歼灭敌人。参战部队夜行晓宿，隐蔽开进，到达指定地域集结待命，在紧张的战前准备中度过1947年元旦。
陶勇率领第一师部队昼夜兼程北进，越过陇海路时，被国民党空军侦察发现。陶勇请示粟裕，是否还要昼夜兼程。粟裕说：“为什么不能将计就计迷惑敌人呢？”命令他们以营连为单位继续白天行军。这一反常行动，果然造成了敌人的错觉。他们认为，我军一贯夜间活动，现在竟在白天行军，断定我军“败退山东，不堪再战”。
马励武的整编第二十六师和第一快速纵队对华东野战军的作战意图毫无察觉，仍按预定计划由峄县向东进攻，一路进展颇感顺利，几天内就攻占了向城、卞庄等许多城镇，到达临沂县境。马励武以为临沂城指日可得，下令部队停止在马家庄一线，搜罗鸡猪牛羊，运来兰陵美酒，大吃大喝，庆祝新年。喝得醉醺醺的马励武口出狂言：“再过3天，我可以打赌，国军一定能进临沂城。进不去，砍我姓马的脑袋！”然后，就离开部队，回峄县城里过新年去了。
正当马励武在峄县城内怡然自得地观看京剧《风波亭》时候，风波果然来了。华东野战军比预定计划提前两小时发起对整编第二十六师和第一快速纵队的攻击，把敌人打了个晕头转向，很快就失去了统一指挥。经一夜激战，歼灭整编第二十六师师部及两个旅大部，把整编第二十六师残部和第一快速纵队包围在一个狭小地区里。
1月4日，华东野战军即将发起总攻的时候，突然寒风劲吹，雨雪齐降，顿时坑里积水，道路泥泞。参谋请示粟裕：“计划有无改变？”粟裕说：“不变！这是天老爷帮我们的忙。雨雪交加，道路难行，把敌人的重装备陷在那里，他就更难逃脱了。”
整编第二十六师残部和第一快速纵队眼看增援无望，企图向峄县方向夺路逃窜，恰巧进入下湖、漏汁湖一线水洼地带，汽车、坦克、大炮等重型装备在泥泞中艰难地爬行。华东野战军部队冒着寒风雨雪奋勇攻击，只用几小时就把号称“国军精华”的快速纵队打成了瞎子、聋子，瘫子。到4日下午3时，除7辆坦克漏网逃到峄县以外，整编第二十六师和第一快速纵队3万余人全部覆灭。
马励武在日记中哀叹：“此诚余带兵以来对外对内作战损失最惨痛之一役也！”他认为，造成这一“空前覆败之局”的原因，是他们战略指导错误，而共军作战计划完善。他写道：“孤军深入已属兵家之大忌，而况孤军久立不退亦不进，致为匪所乘”；而“匪对我孤军深人一切明了后，乃下定一完善之作战计划，将我包围，所以陷入重围，成为被动。”
战斗刚刚结束，粟裕就同华野司令部的几位同志赶到战场视察，只见坦克，大炮和汽车漫坡遍野横七竖八地停在那里，各种枪支，弹药以及通信、工兵器材累积成堆，美国造的生活用具，食品、药物、被服遍地皆是，一批批全身沾满泥污的俘虏被押下战场。第一快速纵队的坦克兵说：“我们在印缅战场作战3年，一直是向前冲，美国人对我们也很看得起，想不到今天会败得这样惨！”华东野战军指战员忘记了连续几昼夜奋战的疲劳，在凛冽的寒风中打扫战场，用冻僵了的双手比划着讲述打坦克、缴大炮、捉俘虏的经过和体会，双眼红肿、布满汗垢的脸庞上露出自豪和胜利的笑容。粟裕目睹此情此景，心想：这些忠诚无畏的勇士们，是多么可敬可爱啊！人民子弟兵在革命英雄主义精神鼓舞下所发挥出来的巨大物质力量，是敌人永远也无法估量的。
粟裕说，他在鲁南战役的指挥上，同宿北战役一样，最特出之处是慎重。因为这次作战有几个特点：一是敌人阵势摆得很长，成犄角之势，易于相互策应，我军处于几路敌人紧逼之中；二是作战对象生疏，除了美械装备的蒋介石嫡系主力部队，还有多兵种组成的快速纵队，过去未曾打过；三是两个野战军会合作战，与半数参战部队初次接触，互不熟悉，不大摸底。这些都使他兢兢业业，格外慎重。现在初战虽胜，仍不敢松懈，又进入紧张的思考。他的注意力集中在第二阶段作战方向的选择上。
第二阶段的作战任务，预定方案是寻歼冯治安的整编第三十三军，相机收复台儿庄、峄县。在第一阶段作战过程中，粟裕就反复思考，怎样才能更好地实现中共中央的扭转战局、巩固鲁南的战略意图。他认为，为了打开鲁南局面，为继续打大歼灭战创造较好的战场条件，只打下峄县不行，还要攻克枣庄。枣庄是敌人在鲁南的重要据点之一，位于我军出击方向翼侧，如果不打下来，敌人就会依托这个据点从侧后攻击我军，对我很不利。枣庄有日伪时代就开始修筑的坚固防御工事，攻克它可能要付出较大的代价，但对打开鲁南局面极为重要。战役第一阶段结束以后，敌情发生变化，冯治安的整编第三十三军退缩到运河以南，寻歼整编第三十三军的战机已失。粟裕当即向陈毅提出战役第二阶段同时攻取峄县、枣庄的建议。陈毅表示同意。中共中央军委迅速批准了他们的作战方案。
为了及时、准确地掌握战场情况和指挥部队作战，粟裕率领一个轻便指挥所，于1月9日拂晓到达峄县、枣庄前线指挥作战。
攻打峄县的战斗进展顺利。1月9日晚发起攻击，11日凌晨就全歼守敌，生俘敌中将师长马励武。攻城部队第八师中矿工出身的指战员较多，擅长爆破技术，在攻城战斗中发挥了威力。峄县战斗一结束，粟裕就进城研究爆破技术，要第八师指战员详细介绍了突破南门以及巷战中火力、爆破、突击结合运用的经验，并且立即把他们的经验通报枣庄攻城部队第一师。
攻打枣庄的第一师，素以擅长野战、灵活机智、作风顽强著称，但是较少城市攻坚经验。驻守枣庄的国民党军整编第五十一师，在日伪遗留工事基础上，又构筑了大批集团地堡，形成了核心阵地与外围阵地紧密连接的防御工事，自吹“固若金汤”。攻城部队虽然打得英勇顽强，但受不会爆破的限制，进展迟缓，仅攻占大部分前沿据点，两次攻城失利。这时，国民党军整编第十一师及整编第六十四师已全部进至台儿庄、韩庄一线，整编第七十四师正向新安镇前进中。当务之急，就是力争在敌援兵到达之前攻克枣庄。
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