8月中旬，晉冀魯豫野戰軍出擊隴海鐵路開封至徐州段作戰，打亂了國民黨軍對解放區進攻的南線部署。下旬，國民黨軍統帥部匆忙從陝南、豫西追堵中原軍區突圍部隊的兵力中抽調3個整編師，從淮南、徐州等地抽調1個軍和2個整編師，加入冀魯豫戰場，連同原在鄭州、新鄉、商丘等地的8個整編師，共14個整編師32個旅約30萬人，企圖"優勢兵力鉗擊晉冀魯豫野戰軍主力於隴海路以北定陶、曹縣地區，佔領魯西南，然後打通平、漢鐵路(北京至漢口)。
爲此，國民黨**主席蔣介石派國防部長白崇禧、參謀總長陳誠到開封督戰，令鄭州"綏靖"公署主任劉峙到考城、民權前線指揮。其部署是:以鄭州"綏靖"公署所屬整編第68、第55師各1個旅及暫編第4縱隊1個支隊由蘭封至商丘一線進攻曹縣，整編第3、第47師自封丘分兩路進攻定陶及其以北地區，整編第41師由封丘進攻東明;以徐州"綏靖"公署所屬第5軍和整編第11、第88師共5個旅的兵力，由虞城至徐州一線進攻魚臺、豐縣、城武(今成武);另以13個旅在安陽、新鄉及其以東地區佯動，以4個旅和2個保安支隊位於隴海鐵路開封至商丘段維護後方交通。
晉冀魯豫野戰軍司令員劉伯承、政治委員***分析徐州一路中雖有所謂國民黨軍"五大主力"中的兩個軍，但非主攻方向;鄭州一路只有整編第3、第47師戰鬥力較強，如能殲其1個師或2個師大部，即可打破敵之進攻。我軍士氣高昂，有根據地人民的大力支援，只要充分利用敵人弱點，積極刨造戰機，實行集中兵力，各個殲敵，是可以粉碎其進攻的。
因此，決心從豫北遇第2縱隊來定陶地區參戰，集中4個縱隊5萬餘人，4倍於敵的兵力，準備首先誘殲整編第3師(轄第3、第20旅)於定陶以西韓集地區，爾後視情況再殲整編第47師一部或大部。
部署是:以第2縱隊(欠第4旅)和第6縱隊主力共5個旅爲右集團，以第3縱隊(欠第9旅)和第7縱隊共5個旅爲左集團，集結於定陶縣城西南地區，準備分割圍殲整編第3師;以第6縱隊兩個小團採取運動防禦，消耗、遲滯整編第3師，將其誘至預定戰場;以第3縱隊第9旅1個團和冀魯豫軍區第5軍分區部隊阻擊整編第47師，擴大其與整編第3師的間隔;以第3縱隊第9旅2個團和冀魯豫軍區第5軍分區1個團位於曹縣以南，阻擊整編第68、第55師等部;以冀南軍區獨立第4旅牽制整編第41師}以冀魯豫軍區獨立旅和第3軍分區部隊位於城武地區阻擊第5軍等部。
9月2日，整編第3師在第6縱隊2個團的節節阻擊下，傷亡1500餘人，進佔秦砦、桃園地區。整編第47師進佔黃水口、呂砦地區。此時，劉峙將整編第3、第47師會攻定陶的計劃，改爲整編第3師進攻菏澤，整編第47師進攻定陶，這樣該兩師的間隔即由原來的7.5至10公里擴大到10至12.5公里。
而其餘各路國民黨軍分別被阻於東明西南、曹縣以南和單縣、城武以東地區，距整編第3、第47師達40~100公里。劉伯承、***當即決定乘徐州、鄭州兩路敵軍鉗形攻勢尚未合攏，整編第3師已經疲憊，且與整編第47師間隔加大之機，於3日晨放手誘整編第3師冒進，並將戰場由韓集西移大楊湖地區。
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待整編第3師進入預定戰場後，右集團主力向南，一部由東向西攻擊;左集團先楔入整編第3、第47師之間，然後主力由南向北攻擊整編第3師，一部向南阻擊整編第47師。
3日下午，整編第3師第3旅被誘至大黃集，師部進至天爺廟，第20旅進至大楊湖;整編第47師進至三丘店、常路集以南。23時30分，晉冀魯豫野戰軍左右兩集團突然對整編第3師發起攻擊，首先把攻擊重點指向較弱的第20旅，同時以一部兵力佯攻和牽制其師部和第3旅。
4日，整編第3師在飛機、坦克配合下頑強抵抗，晉冀魯豫野戰軍僅殲其3個營。整編第3師師長趙錫田發覺已陷入重圍，緊急求援。劉峙令其他各師馳援。
4日，整編第47師企圖由南面向整編第3師靠攏，被第3縱隊阻於桃園地區;其餘各師亦向整編第3師增援。5日，晉冀魯豫野戰軍向整編第3師發起全線猛攻，戰至6日晨，於大、小楊湖地區全殲其第20旅，重創第3旅，並進逼其師部。
中午，整編第3師師部與第3旅殘部向南突圍，晉冀魯豫野戰軍於秦砦附近地區將其全殲，俘趙錫田。整編第3師被殲滅後，國民黨軍各路援軍即向考城、蘭封方向撤退。晉冀魯豫野戰軍抓住有利戰機，於7日對整編第47師從側後展開猛烈卷擊，經1天激戰，全殲其2個旅。
同時，追擊整編第41、第55、第68師，8日上午又殲其約1個團。至此，鄭州方向國民黨軍的進攻被挫敗，徐州出犯的國民黨軍仍被阻於城武地區。定陶戰役歷時5天，晉冀魯豫野戰軍殲滅國民黨軍1個整編師師部、4個旅共1.7萬餘人，其中俘1.2萬餘人。
這一勝利，連同中原軍區部隊突圍的勝利和蘇中大捷，對整個解放區的南部戰線起了扭轉局面的重要作用。此役共產黨成功從國民黨手中奪來了山東地區魯西北魯西南地區的領導控制權，並且殲滅了國民黨主力，俘獲了兩個國民黨的中高級將領，打擊了國民黨士氣，還繳獲了60萬顆子彈和三門挺機炮，756門重型機槍等寶貴的軍用物資，還有部分國外進口的軍需物資裝備，爲後來的戰略反攻成功奠定了物質基礎。
正在蔣介石一籌莫展之際，趙繼統卻被蔣夫人請了過去，不過不是在黃埔路國民**國防部大院內的官邸（又名憩廬），而是位於中山陵內小紅山上著名的美齡宮。正式名稱爲“國民**主席官邸”，曾被美國大使司徒雷登譽爲“遠東第一別墅”。