刘伯承接着一个个不断打来的电话，然后把自己了解到的敌人情况，及时告诉给在大杨湖指挥作战的王近山：“赵锡田已经没有力量了，他在天爷庙的师部只能派出两个步兵连、几辆坦克增援大杨湖，企图掩护大杨湖的敌人撤退。敌人全体崩溃的形势来到了，这是我们最后胜利的时刻。敌人的伤亡也很大，子弹也要打光了。在大杨湖的敌人59团代理团长吴耀东，向他的旅部求援说，他只能再坚持15分钟，如果15分钟援兵不到，他就要自杀。这说明敌人的指挥人员已经失掉了坚持战斗的信心。”
听到刘伯承通报的敌情，苦战了一整夜的我军将士，疲倦和一切困难立刻都被抛到九霄云外去了。王近山组织了对仍在顽抗的敌人的最后一次攻击。
炊事员、饲养员、机关干部都统统组织起来投入战斗，指战员们用从敌人尸体上捡来的手榴弹、子弹，用带血的刺刀，以排山倒海之势，迅猛地冲向敌人的阵地。
5分钟，仅仅用了5分钟，敌人就屈服了，缴械投降了。吴耀东还没来得及遵照其主子的命令杀身成仁，就被我军的一个战士从桌子底下拉了出来，做了俘虏。
9月6日清晨，太阳渐渐升起，驱散了弥漫大地的茫茫晨雾。
上午9时半，4架美式轰炸机，慢吞吞地飞来，在我军指挥所的上空盘旋侦察，猛然向大杨湖俯冲，昏头昏脑地朝着已经放下武器的国民党俘虏兵胡乱扫射了一阵，匆匆忙忙地溜走了。
在大杨湖的敌人被消灭以后，刘伯承立即指示各个部队注意观察其余敌人的动向。
上午10时，果然传来情报：天爷庙的敌人，企图在飞机掩护下突围，其他村庄的敌人，也有逃走的迹象。
刘伯承立即向部队发布了追击敌人的命令。
天爷庙紧挨着大杨湖。大杨湖的敌人被消灭以后，驻扎在天爷庙的国民党军整3师师部，直接暴露在我军面前。师指挥部要逃走，这反映了敌人在其主力59团被歼灭以后，已经惊慌万状。
由耀武扬威、不可一世而变得心惊胆战的敌人，终于没能逃出我军的包围圈，在我军的追击、围歼下全部落网，连赵锡田也做了俘虏。
当3纵一个连队的党支部书记张景小在天爷庙抓住赵锡田时，只见他脸上抹满了黑灰，自称是“军械主任”，但是，其他俘虏揭穿了这个冒牌货，指出他就是师长赵锡田。这个过去的“英雄”，此时成了狗熊，两条腿如同筛糠一般颤抖不止。
敌整3师既已被歼，刘伯承马上就指挥主力转向西南，向敌47师侧背卷击，该敌旋即溃散，被歼大半。
9、 刘伯承被关在小洞里指挥战斗
9月3日、4日两天，担任主攻的第6纵队伤亡很大，仅歼敌2个营。
刘伯承在指挥所坐不住了。5日黄昏，刘伯承带着李达和作战参谋，还有一筐熟透了的肥城大肥桃，来到第6纵队司令部，召集各纵队首长开会。这些桃子是当地群众送给刘邓首长的，刘伯承让警卫员挑了80个，让各纵队首长尝尝鲜。桃子吃完了，会也开完了。刘伯承给各纵队下了死命令：一定要吃掉整3师。
夜幕降临时，交战双方皆鸣金收兵，各自中止射击。
连日来阵地上一直枪炮隆隆，这时忽然安静下来，反让人心里扑扑直跳，加上天气炎热，空气紧张得令人窒息。
为了防止敌机空袭，第6纵队政委杜义德让战士们在作战室的墙根下挖了个防空洞，用门板支着，仅能容纳一人，还直不起腰。刘伯承就待在这里坐镇指挥，他分别给在前方指挥战斗的各纵队指挥员打了电话。
9月6日，整3师败局已定，参谋长李达便来到洞口旁，叫了一声：“刘师长，出来透一透气吧。”
洞中，刘伯承正与各纵队指挥员通话。“敌人要跑，注意动向，随时捕捉追歼逃敌！”李达看到身材高大的刘伯承在那洞里，完全无法直起腰来，又不能放什么东西坐下来，只好在那里面蹲着，还要不停地接电话、打电话了解各纵队的作战情况。
这简直不是人待的地方！是谁把晋冀鲁豫野战军的最高指挥官安放到这样的小洞之中？是政委邓小平和参谋长李达。他们说，刘司令员不停地打电话，敌机来了常忘了隐蔽自己，必须把他关起来。于是，战士们奉命在作战室墙根下挖出了一个临时防空洞，把电话机迁到里面，就算是刘伯承司令员的地下指挥所。让刘伯承下地洞，他压根儿就不愿意。那是个什么样的洞，斜着身子下去，就只能容下一个人。
“现在不行，情况紧迫，天爷庙的敌人企图在飞机掩护下突围，师长赵锡田就在其中；其他村庄的敌人，也有逃走的迹象。”
刘伯承仰着头对洞口上的李达说。
“不能让敌人跑了！”
李达刚说到这里，邓小平来了。
“老刘啊，你那身子太高太大了，换我下去，就不用那样蹲着了。”邓小平说着，爽朗地大笑起来。
“就一会儿，马上出去。”
三位首长简要地讨论了一下，发出了最后一道作战命令：“各部队注意，敌人要全线退却，我们要坚决地把进攻发展为追击，把战斗的胜利发展为战役的胜利！”
10、 “福将”刘峙被撤职
天爷庙，赵锡田完了；考城，郑州绥署前线指挥部的刘峙也完了！当这位“福将”得知整3师全军覆灭的消息后，如同五雷轰顶，闷棍击头。刘峙半晌没缓过神来，只见他神经质般不停地说道：“整3师，我的整3师……蒋委员长会把我……”
他辜负了委员长托付给他“勘乱救国”的重任。他在中原“围歼”李先念、王树声失败，这次进剿刘伯承再败，还有何脸面见委员长？！陈诚、白崇禧一直看不起他，这下正好抓住了他的把柄，即使何应钦、顾祝同愿意帮他说话，看来也是无济于事，在劫难逃。
赌徒输了，但不能把老本输光。刘峙强打精神，下了一道急令，叫47师、41师及刘汝明第5绥区部队迅速后撤，以稳住阵脚，保住老本。但他这道命令下得太迟了。整3师被歼之时，也是其他参与进攻的各师惊恐万状之际。他们不知道刘伯承手下到底有多少兵力，居然能把一个拥有飞机坦克和众多大炮的王牌师一口吃光！谁愿意做整3师第二？只有傻瓜才会！当然，刘伯承再无法把他们吃光，但也得把他们各啃上几口。
刘伯承邓小平早在攻歼整3师的最后阶段，就已把眼光盯上了下一个目标47师。当整3师大部被歼时，刘邓即以部分兵力肃清残敌，主力即刻转向西南，向整47师之侧背卷击，兵无斗志的“川军”整47师无心恋战一触即溃，其127旅和122旅在撤逃中被解放军全歼。与此同时，41师、55师和68师也在撤逃时各被歼灭了两个营。
定陶战败，整3师全军覆灭，赵锡田被俘的消息传到了庐山，蒋介石气得五脏冒火，七窍生烟。他叫来侍从室官员面授口喻：“速派辞修、墨三去经扶那里，务必给我查清楚失败原因！”
国防部参谋总长陈诚、陆军总司令顾祝同接到命令后立即启程赶到封丘，召集郑州绥署主任刘峙以及王仲廉、王敬久、孙震等绥区军事长官和军长以上高级将领、参谋长开会。
陈诚本与刘峙不和，这回总算抓住了口实。他首先在会上发难：“在我国军重点进攻之关键时刻，各部本应精诚团结同赴国难，可有的人置英勇进击而陷入刘匪重围之我军危难而不顾，或轻敌冒进，或贪生怕死，或各自为政，见死而不救，致使我国军之精锐整编第3师全军牺牲，赵师长受辱。这一重大失误，郑州绥署及五绥区指挥无方，友军之间又不能协同援应，优势装备且不能充分发挥其效力，主要长官负有不可推卸之责任！”
尽管刘峙和他的参谋长赵子立也曾诚恳检讨，但如此惨重失败，不作出严厉处分，显然是难以平息国军内部之愤怒情绪的。再加上，陈诚正要乘势打击何应钦的势力而壮大自己的力量，于是便以刘峙庸懦无能、赵子立运筹无方而将刘、赵二人撤职。这一决定当然是得到了蒋介石的认可的。
刘峙被撤职后，于9月19日乘飞机到南京晋见蒋介石。他虽遭到委员长的严词责骂，但随后又被任命为战略顾问委员会上将委员。
11、 盘点
定陶战役，我军以伤亡3500人的代价，全歼整编第3师等部4个旅，毙伤5000余人，俘虏12000余人。缴获坦克6辆、各种炮200余门、步枪4300多支和大批弹药物资。这一仗打垮了国民党军钳形攻势的西路钳头，沉重打击了国民党军进攻解放区的气焰。
这次影响重大的战役，被誉为“集中优势兵力各个歼灭敌人”的模范战例。
延安窑洞，毛泽东收到了刘伯承关于定陶战役的战果报告。毛泽东笑着说：“伯承同志好打险战，弄得我几个晚上没睡好。我们兵力少，装备差，但伯承同志的装备好嘛，蒋委员长刚打过来，他就张开口袋和铡刀恭候。”
1946年9月7日13时，毛泽东致电刘伯承、邓小平，电文说：“庆祝你们歼灭整3师的大胜利，望传令全军嘉奖。”
定陶战役的胜利，使各战场人民解放军军心大振。4天之后，即1946年9月12日，《解放日报》发表了题为《蒋军必败》的社论，对这次战役的胜利及其影响作出了评价：
……这是继中原我军突围胜利与苏中大捷之后又一次大胜利，这三个胜利对于整个解放军的南方战线起到了扭转局面的重要作用。蒋军必败，我军必胜的局面定了下来。
9月13日，中共中央又发出通报说：
此次刘邓军五万人打敌第3师两个旅九千人，从3号黄昏打起至6号上午始解决1个旅，引起敌人全线恐慌，另一个旅于6号下午突围时，被我以半日时间解决。7号上午47师两个旅增援赶到，我又以一天时间解决该两个旅。此外尚解决41师及74旅各一部。这一经验告诉我们：第一必须集中优于敌人五倍或四倍至少三倍的兵力，首先歼灭敌1个团至2个团，振起我军士气，引起敌人恐慌，得手后再歼敌第二部、第三部，各个击破之。切不可贪多务得，分散兵力。
孙震的参谋长胡临聪在他的回忆录中这样评述定陶战役后国共双方的境况：
在刘峙调职后，赵子立对我谈到整3师惨遭歼灭的情形时，除了承认自己由于轻敌和所说“非一团不守，非三团不攻”的原则是一种错误之外，并不胜感慨地说：“老的老，小的小；无所依靠，无人照看，得此结果，势在必然！”其意是指蒋介石专信陈诚，而当时何应钦又以参谋团团长身份而去了美国。由于何、陈两人一惯的矛盾，今值陈诚当权，乘机撤刘，何远在美国，无从在蒋面前为刘说话，因而只有听其撤换而已。
从这一战役中，刘伯承司令员所指挥的人民解放军的胜利，国民党第5绥区3个旅的被歼灭，刘峙被撤职，这就预示着国民党反动派最后必然灭亡，人民革命最后必然取得全胜！