定陶战役刘帅采取诱敌深入的战术成功将整编第三师引诱到定陶以西的包围圈，第三师得知自己被包围之后，显得非常恐慌，立即联系最近的国民党四十七师，请求支援。另一方面，面对被包围的整三师，刘帅的安排如下：
一、以陈再到指挥二纵主力和六纵一部，一方面以小股部队积极佯攻四十七师，使其不敢支援，另外一方面以主力先消灭敌人一个团后，再继续消灭敌人。
二、以杨勇和陈锡联共同指挥三纵、七纵的部队，两支部队突击到第三师和四十七师的中间，用小股部队组织四十七军的支援，以主力部队由南面和东面进行夹击第三师；
三、其他部队负责阻击刘汝明集团，地方部队也要到后方骚扰国民党的运输线。
整体部署完成以后，1946年9月3日黄昏，刘帅发动总攻。选择在黄昏发动进攻，是为了发挥我军夜战的强项，起到突袭的效果。然而进攻并不顺利，由于是各部队的配合并没有完全同步，没有起到很好的突击效果，对敌人的伤害并不大。
战役的进展不如人意，战场时间并没有站在我军这边，我军若不能快速取得战斗胜利，具有优势兵力的国民党部队，必将更加猛烈的支援，对我军非常不利。且白天国民党火力猛，并且有飞机大炮的配合，我军进攻的话必然会伤亡惨重。
可惜接下来我军两天进攻也不顺利，只歼灭了两个营的兵力，到了5日，刘帅亲自给各纵队首长发电报“现在第三师已经很疲惫，业已气馁，我正宜趁此时歼灭该敌，望发扬比敌人更顽强的作风，以达成胜利。”战争拼到最后就是意志力的较量，我军持续作战，确实已经很疲惫了，同样的第三师同样疲惫，这种情况下，谁能坚持到最后的五分钟，谁就能取得最后的胜利。
我各级指战员在刘帅的鼓励下，决心死战到底，尤其是“疯子战将”王近山，在他的指挥下，六纵一个个冲锋在前，以极其顽强的战斗意志，前赴后继，最终歼灭敌人20旅的一个团，打开了战场的缺口。
随着第六纵队的血战，第三师的阵地开始动摇，兵败如山倒，我其他各纵队的部队，随机冲上敌人的阵地，与敌人展开血战。第三师师长赵锡田眼见局势不妙，指挥部队向四十七师靠拢，在运动中被我军全歼，赵锡田本人也被我军俘虏，随后我军又乘胜追击四十七师，在定陶、考城地区歼灭整编第四十七师大部。此次战役歼灭国民党军4个多旅1.7万余人，其中俘1.2万余人，粉碎了陈诚指挥的国民党军对晋冀鲁豫解放区的进攻。
此战之后，我军也是元气大伤，战斗中打开缺口的六纵伤亡最大，即使休整后也不能恢复到之前的水平，可见当时我军取得这场战斗极为不容易。尤其是我军自出击陇海路以来，连续作战两个月，部队接连打了三场大战斗，已经相当疲劳，即使包围实力不算很强的第三师，也难一下子攻下，后来刘帅在给中央的电报中写道“此战到最后决战，已是用尽全力。”，此战之后刘帅带领部队进行休整，以迎接更大的战争。