8月中旬，晋冀鲁豫野战军出击陇海铁路开封至徐州段作战，打乱了国民党军对解放区进攻的南线部署。下旬，国民党军统帅部匆忙从陕南、豫西追堵中原军区突围部队的兵力中抽调3个整编师，从淮南、徐州等地抽调1个军和2个整编师，加入冀鲁豫战场，连同原在郑州、新乡、商丘等地的8个整编师，共14个整编师32个旅约30万人，企图优势兵力钳击晋冀鲁豫野战军主力于陇海路以北定陶、曹县地区，占领鲁西南，然后打通平、汉铁路(北京至汉口)。
为此，国民党**主席蒋介石派国防部长白崇禧、参谋总长陈诚到开封督战，令郑州绥靖公署主任刘峙到考城、民权前线指挥。其部署是:以郑州绥靖公署所属整编第68、第55师各1个旅及暂编第4纵队1个支队由兰封至商丘一线进攻曹县，整编第3、第47师自封丘分两路进攻定陶及其以北地区，整编第41师由封丘进攻东明;以徐州绥靖公署所属第5军和整编第11、第88师共5个旅的兵力，由虞城至徐州一线进攻鱼台、丰县、城武(今成武);另以13个旅在安阳、新乡及其以东地区佯动，以4个旅和2个保安支队位于陇海铁路开封至商丘段维护后方交通。
晋冀鲁豫野战军司令员刘伯承、政治委员***分析徐州一路中虽有所谓国民党军五大主力中的两个军，但非主攻方向;郑州一路只有整编第3、第47师战斗力较强，如能歼其1个师或2个师大部，即可打破敌之进攻。我军士气高昂，有根据地人民的大力支援，只要充分利用敌人弱点，积极刨造战机，实行集中兵力，各个歼敌，是可以粉碎其进攻的。
因此，决心从豫北遇第2纵队来定陶地区参战，集中4个纵队5万余人，4倍于敌的兵力，准备首先诱歼整编第3师(辖第3、第20旅)于定陶以西韩集地区，尔后视情况再歼整编第47师一部或大部。
部署是:以第2纵队(欠第4旅)和第6纵队主力共5个旅为右集团，以第3纵队(欠第9旅)和第7纵队共5个旅为左集团，集结于定陶县城西南地区，准备分割围歼整编第3师;以第6纵队两个小团采取运动防御，消耗、迟滞整编第3师，将其诱至预定战场;以第3纵队第9旅1个团和冀鲁豫军区第5军分区部队阻击整编第47师，扩大其与整编第3师的间隔;以第3纵队第9旅2个团和冀鲁豫军区第5军分区1个团位于曹县以南，阻击整编第68、第55师等部;以冀南军区独立第4旅牵制整编第41师}以冀鲁豫军区独立旅和第3军分区部队位于城武地区阻击第5军等部。
9月2日，整编第3师在第6纵队2个团的节节阻击下，伤亡1500余人，进占秦砦、桃园地区。整编第47师进占黄水口、吕砦地区。此时，刘峙将整编第3、第47师会攻定陶的计划，改为整编第3师进攻菏泽，整编第47师进攻定陶，这样该两师的间隔即由原来的7.5至10公里扩大到10至12.5公里。
而其余各路国民党军分别被阻于东明西南、曹县以南和单县、城武以东地区，距整编第3、第47师达40~100公里。刘伯承、***当即决定乘徐州、郑州两路敌军钳形攻势尚未合拢，整编第3师已经疲惫，且与整编第47师间隔加大之机，于3日晨放手诱整编第3师冒进，并将战场由韩集西移大杨湖地区。
待整编第3师进入预定战场后，右集团主力向南，一部由东向西攻击;左集团先楔入整编第3、第47师之间，然后主力由南向北攻击整编第3师，一部向南阻击整编第47师。
3日下午，整编第3师第3旅被诱至大黄集，师部进至天爷庙，第20旅进至大杨湖;整编第47师进至三丘店、常路集以南。23时30分，晋冀鲁豫野战军左右两集团突然对整编第3师发起攻击，首先把攻击重点指向较弱的第20旅，同时以一部兵力佯攻和牵制其师部和第3旅。
4日，整编第3师在飞机、坦克配合下顽强抵抗，晋冀鲁豫野战军仅歼其3个营。整编第3师师长赵锡田发觉已陷入重围，紧急求援。刘峙令其他各师驰援。
4日，整编第47师企图由南面向整编第3师靠拢，被第3纵队阻于桃园地区;其余各师亦向整编第3师增援。5日，晋冀鲁豫野战军向整编第3师发起全线猛攻，战至6日晨，于大、小杨湖地区全歼其第20旅，重创第3旅，并进逼其师部。
中午，整编第3师师部与第3旅残部向南突围，晋冀鲁豫野战军于秦砦附近地区将其全歼，俘赵锡田。整编第3师被歼灭后，国民党军各路援军即向考城、兰封方向撤退。晋冀鲁豫野战军抓住有利战机，于7日对整编第47师从侧后展开猛烈卷击，经1天激战，全歼其2个旅。
同时，追击整编第41、第55、第68师，8日上午又歼其约1个团。至此，郑州方向国民党军的进攻被挫败，徐州出犯的国民党军仍被阻于城武地区。定陶战役历时5天，晋冀鲁豫野战军歼灭国民党军1个整编师师部、4个旅共1.7万余人，其中俘1.2万余人。
这一胜利，连同中原军区部队突围的胜利和苏中大捷，对整个解放区的南部战线起了扭转局面的重要作用。此役共产党成功从国民党手中夺来了山东地区鲁西北鲁西南地区的领导控制权，并且歼灭了国民党主力，俘获了两个国民党的中高级将领，打击了国民党士气，还缴获了60万颗子弹和三门挺机炮，756门重型机枪等宝贵的军用物资，还有部分国外进口的军需物资装备，为后来的战略反攻成功奠定了物质基础。
正在蒋介石一筹莫展之际，赵继统却被蒋夫人请了过去，不过不是在黄埔路国民**国防部大院内的官邸（又名憩庐），而是位于中山陵内小红山上著名的美龄宫。正式名称为“国民**主席官邸”，曾被美国大使司徒雷登誉为“远东第一别墅”。