战役起始
自华野和山野合并后，我军打赢了宿北战役和鲁南战役，成功歼敌近十万。而国军虽然吃了败仗，但他们认为占领了苏皖地区，将陈毅粟裕等部全部挤入山东境内，在战略上是胜利的。时任国民党国防部参谋总长的陈诚认为“但就全盘战局而言，实属莫大之成功”。
同时，国民党军判断我山东、华中野战军在连续作战后一定伤亡较大，需要休整。蒋介石要求国民党军一鼓作气，在山东境内与我军决战，妄图一次解决山东战事。
蒋介石为此调集了南北两线近30万人的部队，南北共同夹击我军，准备在临沂与我军决战。
其中，北线由李仙洲指挥，共3个整编师共9个旅，攻击莱芜、新泰和蒙阴一线；南线部队的指挥官则是整编第19军军长欧震，兵力8个整编师共21个旅，从台儿庄、新安镇、城头一线攻击临沂。另外还安排了8个整编师担负铁路线的守备，4个整编师集结于鲁西南地区，阻击刘邓部队的增援或陈粟部队的西撤。
粟裕策略
华野副司令员粟裕原计划寻机消灭欧震集团三路大军中的一路，但因其队形密集，互为策应，并采取了“烂葡萄里夹核桃”的战术，即每一路中间都有精锐主力作为重点支撑，左路有黄百韬的整编25师，右路的核心是胡琏指挥下狡猾的整编11师，中路则有整编74师这支绝对王牌坐镇，战斗力强悍，无论进攻哪一路都难度极高。
面对敌军声势浩大的南线集团军，粟裕决定避实击虚，以北线李仙洲集团为歼击目标。因为李仙洲集团看似有3个军，实际能打的只有中央系的73军，另两个桂系杂牌军内部矛盾重重，无法形成合力。经过休整，华野以7个纵队采昼伏夜行的方式秘密向北行军，借此躲避国民党飞机在战区上空的日间侦查，同时以2个纵队留在南线伪装成华野全军对南线国军进行迷惑阻扰，使国军没有判明解放军北上的意图。此时北路的国军持续南下，相继进占莱芜、临沂。
第二绥靖区长官王耀武电令军长韩浚除77师驻邹平、长山、张店等待接防外，率其余各部由淄博防区移驻博山。193师萧重光部开始由张博支路向博山输送担任修筑由博山至吐丝口公路的任务。2月7日，第二绥靖区副司令官李仙洲率领所部指挥所和七十三军军部及15师由博山出发，向莱芜以南30余华里的颜庄前进。
王耀武
此时的王耀武敏锐察觉到我军北上的企图，担心七十三军被歼，立刻调整部署，命李仙洲总部及第七十三军的第15师、第193师自颜庄撤至莱芜地区。然而，国防部高层却怒斥北线进展缓慢，要求南北两线同时对进，将我华野主力消灭在沂蒙山区。王耀武迫于蒋介石的压力被迫执行国防部命令，又将第七十三军军部及第193师推进至颜庄。
王耀武在明确得知华野攻新泰、莱芜意图后，急令第77师迅速南下莱芜城增援，复令第七十三军军部率第193师自颜庄地区星夜北撤到莱芜城内。七十三军进驻莱芜城后，李仙洲即进行了兵力配置。十五师一个团占西关，西关突出部为团的重点配备;一个团占莱芜城及矿山，矿山为团的重点配备。
193师一个团占东关及北面高地，北面高地为团的重点配备;一个团扼守西盘寨(距莱城10余里，是莱芜城通向颜庄途中的一个要点);一个团为师预备队，并由其派出一个连在矿山东侧村庄警戒。汶河南岸村庄，由两师各派出部分警戒小组;军炮兵营驻城内西北角广场，随时支援城外各部。
伏击77师
国军第77师是一支美械师，在以往作战中从来没有吃过大亏，入鲁以来，稳扎稳打，士气正旺，上上下下放松了戒备。结果第77师入了八纵、九纵设伏地区，其后尾脱离青石关后，早已预伏在大英章峪的鲁中军区警五团迅速抢占该关扎住伏击网的网底切断了退路，华野八纵二十二师六十五团先头二营由东向西协同该团一营、三营一起对敌攻击。经20分钟战斗，第77师前卫营已被歼大半，被俘80余人。
华野九纵势如猛虎下山向和庄之敌发起攻击，把和庄之敌切割成数段，二十五师前沿指挥所向纵队司令员许世友报告说:“进展顺利，打起来和整训时演习差不多。"后卫团在携带全师辎重、行李过青石关后，听到和庄方向枪声、炮声、手榴弹爆炸声响成一片，知道先头部队受阻有暂停前进或后撤之意。
但未得上峰命令，不敢盲目行动。正当彷徨犹豫之际，接到师长田君健"火速前进，作为师的总预备队"的命令，只好负重前行，辎重、行李、车辆、马匹互相争道，道路常常为之堵塞，战地异常混乱，行动非常缓慢。结果第77师全部被压缩到了玉皇顶、燕子山及其附近和庄、不动两村内。
担任不动村主攻任务的是八纵二十三师。总攻前，纵队司令员王建安通过电话对二十三师师长陈宏说:"敌人仓促退守，四面挨打，又没有坚固工事，军心十分惊慌，你师担任主攻任务，要猛打狠打，务必尽快解决战斗。"
接到命令后，陈宏与其余师首长分析认为，吐丝口的战斗即将打响，不动之战若不速决，势必分散兵力、精力，牵扯大局。决定第六十八、六十九团同时从南面和东面临攻普通。总攻开始后，敌依仗着围墙和美式装备殊死抵抗，攻击部队多次冲杀，均被密集火力阻挡
六十九团在炮火支援下先从正东突入村内，接着六十八团也由正南冲进，敌被分割成数段，但仍然连续组织反扑，火力相当猛烈,攻击部队不得不与敌展开逐屋争夺的巷战。至天亮，全歼不动村守军。
歼灭李仙洲集团
此刻华野主力全线开始发起攻击。一纵及八纵二十四师攻莱芜城之第七十三军，六纵攻吐丝口第十二军之新编36师，四纵、七纵攻颜庄阻击第四十六军，十纵攻锦阳关切断敌之北逃退路。配合一纵的八纵第24师却未及时赶到。
由于地形不熟和山区道路崎岖难行，担负切断颜庄、新泰与莱芜城国军之间联系任务的四纵和七纵也没有及时赶到预定位置，李仙洲趁机将颜庄、新泰之第七十三军、整46师向菜芜收拢。
一纵司令员叶飞果断决定，一切服从全局，在几个兄弟纵队到达之前，坚决单独担负起包围李仙洲集团两个军的任务，命令部队迅速抢占莱芜城外围的有利阵地，紧紧压住敌人，防其突围。当夜，六纵扫清了吐丝口外围，第十纵队一部抢占了锦阳关切断了李仙洲集团北逃的退路。
21日拂晓，华野司令部估计莱芜城之敌天明后必将进行反扑，遂严令广大指战员抱定"人在阵地在"的信念，厉兵袜马，巩固已得阵地，打垮敌之反击。天亮后，李仙洲集团即以飞机、大炮掩护其步兵向一纵在莱芜城外阵地猛扑。
李仙洲已意识到情况的严重性，加强对部队的指挥，令上级指挥人员一律到下级部队指挥督战。军长推进到师指挥所，师长到团指挥所，团长到营指挥所，以此类推，直至连排，以期增强斗志。但在我军强大防御网前，国军的反扑未有丝毫进展。
身处济南的王耀武得知李仙洲危险处境后再也按捺不住，指示立刻突围。73军军长韩浚按预定计划开始率军突围，先头部队行军非常顺利，通过第193师城北占领的高地继续前进的时候，突然遭到了我军的火力猛袭，部队顿时大乱，敌军大面积倒下，至下午4时，李仙洲集团基本被全歼。
王耀武得知李集团全军覆没，当晚即令胶济路西段各部撤回济南。华东野战军乘胜反攻，占领了胶济路西段及其两侧十余座城镇，铁路线二百余公里。在华野主力在莱芜与李仙洲集团激战时，晋冀鲁豫野战军在鲁西南等地积极进攻，牵制了国军王敬久集团，有力地策应了华野的作战行动。战后，王耀武曾感叹:“五万多人，三天就被消灭光，就是放五万头猪，叫共军抓，三天也抓不完。”
战役结果
此役在3天内歼李仙洲的第二绥靖区南进指挥所、第七十三军军部、整编第46师师部、所辖7个师5.6万余人，连同阻击部队及地方武装总计7万余人，第十二军新编第三十六师少将师长曹振铎逃回济南外，全部被歼灭，73军军长韩浚被俘。
粟裕
合计1万人伤亡，46805人被俘。解放军缴获各类火炮414门，掷弹筒139具，各种机枪2187挺，其他枪枝15700余枝，各种炮弹5.3万发，枪弹257万发，手榴弹20.8万枚，战马1027匹，电台27部，击落飞机4架，击伤8架。
而华野仅阵亡1459人，负伤2007人，其他减员388人，总计损失3800余人的代价，粉碎了国军南北夹击华野的企图，夺取了山东战区的主动权。至此，国军对山东战场的全面进攻即被粉碎，被迫改变进攻部署，暂时采取守势。
最重要的是，此战使国民党第二绥靖区损失惨重，剩余兵力只够防守济南、兖州两个战略要地，再也无力以机动兵力配合国军徐州剿总在山东发起的重点进攻。直至一年半后的济南战役，第二绥靖区全军覆没。