陈、粟二人不谋而合。
陈毅要粟裕进一步思考并提出具体作战方案。粟裕分析华东战场敌我态势和战争发展趋势，考虑改变部署后可能遇到的各种问题，设计了应付战局发展变化的对策。经过华东野战军前委讨论同意，制定了北上歼敌的作战方案，于2月5日未时（13—15时）上报中央军委，陈毅、粟裕、谭震林联合署名。
在这份电报里，他们提出了3个可供选择的方案，而倾向于第三方案，着重说明了执行第三方案的好处。
这个第三方案是：“如南线敌仍不北进，或北进时不便消灭，则除以一个纵队留临沂地区与敌纠缠外，其余主力急行北上，彻底解决北线敌人，平毁胶济线，威胁济南，以吸引南线敌人进入临沂以北山地或增援胶济线，尔后我再举全力反攻，各个歼灭之。如执行此第三方案，至少可以彻底解决北线敌人，利于我今后全力向南；如临沂敌人继续北进，更便于对敌歼灭”。
2月6日，毛泽东为中共中央军委起草复电，表示完全同意第三方案，认为“这可使我完全立于主动地位，使蒋介石完全陷于被动”。中央军委指示：“总之，先打弱敌，后打强敌，力争主动，避免被动”。为此，南线华东野战军部队“在原地整训，对外装作打南面模样”，待北线之敌占领莱芜、新泰、博山之线以后再秘密北移；北线渤海区部队停止攻击，以使李仙洲集团放于南进。（《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658页。）
就这样，最高统帅部和战区指挥员上下结合，互相启发，互相补充，一个切合实际的莱芜战役作战方案形成了。
肩负战役指挥重任的粟裕，立即展开紧张复杂的战前准备和战役组织工作。在他面前，摆开了一系列错综复杂的问题。
部队指战员对大踏步远程北上没有思想准备，为了隐蔽作战意图一时又不能对广大干部战士讲明作战计划，必然会产生许多思想问题。必须充分发挥政治思想工作的保证作用，使广大指战员进一步树立大踏步进退的运动战思想。
准备必要时放弃临沂，又不能放得太早，要恰到好处，掌握在我军主力有可能在北线抓住李仙洲集团之时。
沂蒙山区只有几条主要通路，而且山高路窄，崎岖难行，几十万大军同时北上，要解决许多难以预料的问题，协调各支部队的行动。
60多万支前民工掉头北进，已经运到临沂地区的达数亿万斤的粮草、弹药和其他作战物资也要及时转运北线，要进行深入的政治动员和细致的组织工作。
最重要的是隐蔽我军意图，造成敌人的错觉，错乱敌人的部署，创造有利的战机，迅速抓住李仙洲集团。
为了迷惑和调动敌人，陈、粟采取了一系列“示形于南，击敌于北”的策略。
一示南征之形。为了在政治上造成有利的影响，在军事上隐蔽北上歼敌的意图，决定在撤出临沂之前，给南线之敌一个打击。2月6日，指令第二纵队发起讨伐郝鹏举叛军的战斗。郝鹏举是一个看风使舵、反复无常的政客，原系国民党收编的伪军，1946年在我强大军事压力和政治争取下起义，1947年1月又叛变投靠蒋介石，在“鲁南会战”中担任侧翼掩护任务。华东野战军第二纵队动作神速，经一日一夜激战，歼灭郝鹏举叛军总部和两个师，生擒叛徒郝鹏举。
二示决战之形。主力部队协同地方武装，在临沂及其以南构筑三线阵地，摆出决战架势。粟裕说，声势愈大愈好，以迎合敌人企图在临沂与我决战的心理。在主力部队北上后，留下两个纵队于临沂以南地区，伪装华东野战军全军，阻击和钳制敌人，造成华东野战军主力仍在南线的假象。
三示失利之形。主动放弃临沂，使敌人产生我军连战疲惫，不堪再战的错觉。
四示西进之形。组织地方武装进逼兖州，在运河上架设浮桥，在黄河边筹集渡船。粟裕说，这样一来，即使敌人发现我军主力离开临沂地区，也会错误地判断华东野战军西进与晋察鲁豫野战军会合，而难以辨明我军北上作战的真实意图。
“兵以诈立”。示形用诈，本是用兵常法，难在运用之妙。粟裕此次用诈，妙在诈得合理，诈得可信。诈得合理，即符合一种可能的发展趋势。诈得可信，即投合敌人的心理状态。国民党军队依恃优势兵力，竭力谋求在临沂地区与华东野战军决战；又过低估计华东野战军力量，认为华野“伤亡过大，不堪再战”，预料华野不败即退。华野先是摆出与敌人决战的架式，然后主动放弃临沂，主力隐蔽北上，出其不意地歼击北线之敌。
国民党军果然中计。蒋介石、陈诚得意洋洋，陶醉于手下将领频频上报的“空前大胜”，判断“华东共军伤亡惨重，无力与国军决战，企图西渡运河与刘邓会师”。国民党的《戡乱战史》说，在华野主力向北作战略转移时，他们“一时竟不知匪军主力所在。及至判明其企图与行动时，我南进兵团（指李仙洲集团）已被各别包围于古马陵道中”。占马陵道，即孙膑减灶诱敌、智歼庞涓的马陵之战古战场，在鄄城、范县之间，不在莱芜。《戡乱战史》虽然未能准确指出马陵的方位，但却道出了蒋军重蹈庞涓覆辙的事实。
2月9日，在莱芜、新泰地区进行敌前侦察的华野司令部侦察科长严振衡，与华东军区派到桂系第四十六军的杨斯德（即化名李一明，公开身份是军长韩练成的秘书）相遇，获得了北线蒋军作战部署的最新情报：第四十六军担任前锋，2月8日进占新泰城；李仙洲总部率第七十三军的第十五师、第九十三师和第十二军的新编第三十六师居中，位于新泰以北的颜庄地区；第十二军主力第一一一师和第一一二师担任后卫，位于莱芜城和城北吐丝口镇。从地图上看，蒋军的阵势好像是从胶济线倒垂下来的一嘟噜葡萄，是北上歼敌的极好目标。莱芜，新泰地区是沂蒙山区的老根据地，群众条件好，又是理想的战场。
粟裕和陈毅一起听了严振衡的详细汇报。粟裕沉思片刻说：“桂系想保存实力，王耀武偏偏要四十六军打头阵，把嫡系七十三军放在中间，让东北军的十二军殿后。我们可以充分利用敌人内部矛盾，予以各个击破。在南线情况不明或对我军有利时，四十六军可能不会积极动作；如果敌人在南线得手，那就不一定了。”他向陈毅建议：“是否要李一明告诉韩练成，我们有把握粉碎蒋军的南北夹击，要韩练成千万持重。为了不致打错，四十六军有什么行动，李仙洲集团部署有什么变化，请韩随时派李、刘（即刘贯一，化名刘质彬，也是华东军区派到第四十六军的秘密工作人员，公开身份是韩练成的高级情报员）两同志来告诉我们，我们可以根据原来的计划，迅速切断叫十六军与七十三军的联系，首先全歼李仙洲集团总部和七十三军、十二军，乘胜攻占胶济线，或视情况各个击破。”
“这个办法好：”陈毅赞成栗裕的意见。他要李一明转告韩练成：我们将粉碎蒋介石这次进攻，请他等着听我们的捷报。我们打李仙洲集团时，将不打四十六军，但一定要把部署和行动事先告诉我们，免得打错。特别不要同七十三军搞到一起，否则会玉石俱焚。同时告诉李一明，如果四十六军同七十三军搞到了一起，就要劝说韩练成放下武器，我们保证他的生命安全。
2月10日，陈毅、粟裕、谭震林发出在北线作战的行军命令，指令南线的一、四、六，七纵队和北线的八、九、十纵队向莱芜战场集结地域隐蔽开进。为了迟滞南北两线敌军行动，给我军主力部队开进集结地域争取充裕的时间，又在南北两线巧设奇兵疑兵，指令第七纵队第十九旅一部在陇海线阻击北进的整编第七十四师，鲁中军区部队阻击由莱芜南下的第四十六军。
陈毅，粟裕把第十九旅副旅长张锤秀找来，当面交代任务：要他带领第十九旅1个团和华野特务团，直接受华野司令部指挥，在沭阳地区阻击张灵甫的整编第七十四师，不让他越陇海路北上。
鲁中军区第二军分区司令员封振武奉命来到华野指挥部。陈毅、粟裕当面向他交代任务，要他率领3个团的部队，阻击敌人5天到7天，使敌人不能迅速占领蒙阴，问他有没有信心。
封振武面有难色，一时犹豫未答。他想：我这3个团，多数是新建的，武器装备也差，怎么能抗击现代化装备的四十六军呢？
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