2月19日，华野各部队已秘密接近莱芜两侧，即将完成战役包围。国民党方面发现我1纵1师已在莱芜以西等了三天，同时发现我右路军在鲁村集结，有几个逃跑的俘虏兵回去告密，王耀武、李仙洲才判明我军真实意图。国民党的战史陈述：华东野战军“主力做战略转移，经由临沂、蒙阴、新泰、莱芜东西山区小径，昼伏夜行，秘密前进。我空军既无法搜索，地面情报亦不易侦知，一时竟不知匪军主力所在。及至判明其企图与行动时，我南进兵团已被分别包围于古马陵道中”。（转引自《中国人民解放军第三野战军战史》）
王耀武判断共军有集中兵力先消灭73军，再消灭46军的企图，乃采取紧急措施，命令已经到达颜庄的46军火速撤回莱芜与73军合力固守。同时命令73军的77师经博山南下归还建制。这样可以避免兵力分散，被各个击破。46军军长韩练成当晚就挥挥部队缩回莱芜，李仙洲向两位韩军长部署防守任务。
粟裕获悉敌情变化后，马上调整部署，命令1纵进攻莱芜李仙洲总部及73军，4纵进攻颜庄的46军，6纵进攻口镇的新36师，8纵主力和9纵一部在博山以南的和庄设伏消灭77师，10纵攻占锦阳关，切断国民党军的退路。战斗定于20日15时发起。
20日拂晓，8纵、9纵分别进入和庄地区隐蔽，而77师也同时由博山南下，中午到达和庄。
根据这一情况，我军必须提前发起战斗，否则敌军将越出我军包围圈，接近口镇。13时，我军提前两小时发起攻击，接近敌人，9纵25师冲在前面，歼敌两个连。由于出击距离较远，山地行动不便，未能在公路上将敌分割歼灭。敌军迅速收缩到和庄、不动两个村庄内，集结固守。
黄昏时，8纵、9纵25师抢占和庄、不动周围制高点，向敌人发起进攻。9纵用连续爆破突入村内，与敌军展开巷战。李仙洲接到77师的告急，命令韩浚派吐丝口镇的一个团去增援。韩浚认为黑夜不便行动，相信77师能坚持到天亮。
然而在我军的猛攻下，到21日拂晓，77师大部被我军歼灭。师长田君健率领残部向博山方向突围，在青石关被9纵26师和鲁中警备5团包围，田被击毙。
和庄战斗歼灭77师，为莱芜战役的胜利开了一个好头。
7、 围歼李仙洲集团的部署
华东野战军前委，在得到整编第46师于17日再占新泰的报告后，认为歼灭李仙洲集团的条件已经成熟，遂于2月18日下达围歼李仙洲集团的战字第四号命令：
第一、情况（略）
第二、根据上述情况，决定仍本既定之方针，集全力首歼北线之敌，而后或乘胜扩张战果，或南下聚歼由临沂北援之敌，则视当时情况决定。此战役之第一步计划求得全歼73军及顽李仙洲总部，第二步再解决伸进新泰之顽46军（整编第46军旧番号）为目的。
第三、各部具体部署及任务如下：
以1纵（欠独立师）、8、9纵全部11个团的兵力，担任歼灭莱芜之顽李总部及73军军部、15师、77师等部之任务，统一归许世友、王建安指挥。战斗分界线：1纵担任吐丝口经莱芜至颜庄沿公路线以西（线上不含）地区顽外围据点之攻击；8、9纵担任沿公路线（含）以东地区顽外围据点之攻击；外围顽敌肃清后，即以全力由东向西，由西向东合击莱芜城。
6纵队战斗开始时，以一个较强师取捷径直插和庄而占领之，并选要塞筑工事对博山之敌警戒，并担任阻击博山可能来援之顽12军及第8军部队。该纵其余部队（5个团）以迅速之动作歼灭吐丝口之顽新36师师部及一个团而占领之；此任务达成后，除以一个团控制该地外，纵队率其余部队即东移和庄地区，准备打击博山可能来援之敌。
10纵及独立师（13旅）统一归宋时轮、肖望东指挥，战斗开始时以抢占锦阳关为首要任务。得手后选要点构筑工事对北警戒；其余主力即担任歼灭上有庄之顽新36师所属之一个团，并乘胜继续解决北岭子之敌，以策应我6纵对吐丝口之攻击。
4纵队以全力歼灭颜庄之敌193师并占领之。
7纵队于战斗开始时，除以有力一部占领颜庄之葫芦山等有利阵地钳制46军之北援外，其主力集结于双泉山东南地区为总预备队，准备于必要时向北参加歼击博山来援之敌，待2纵队到后其对46军之钳制任务由2纵队接替。
2纵队务于20日晚赶到蒙阴寨西北及东北地区，以一个师控制蒙阴寨以北，接替7纵对46军钳制任务，其纵队司令部率一个师即进至蒙阴寨西北地区，以一部控制九龙山，其主力集结九龙山以西地区，切实对顽46军侦察警戒，如该顽逃窜时，该纵应不失时机予以堵截，以便主力回师歼灭之。如46军未逃窜，则该纵应准备于第二步配合友军歼灭之。
四、战斗分界线
芦城、东盘龙、北毛庄（含）线以南属中路，以北属右路。北十字河、徐家峪（含）线以北属左路，以南属中路。
五、以上部署，各纵务于19日晚运动，距敌人三十里之地区隐蔽集结，对顽区封锁消息，做好一切攻击准备。但不应过于突出，以免暴露自己企图。决定20日（哿）晚10时发起战斗。运动开进之情况及当面顽敌之动态应逐日向本部报告。
六、本部指挥所战斗开始时移驻铁车附近，与中、右路保持有线电话联系，左路战斗开始时以无线电台联络，战斗开始后应经由右路司令部尽量与本部沟通有线电话联络为要。
命令下达后指挥部考虑到需要加强打援力量，遂令第6纵队全力攻击吐丝口，并配合第10纵队打击可能自明水来援之敌；调第9纵队控制博山以南，全力对付可能自博山来援之敌。就在李仙洲集团在莱芜、新泰地区往返调动之际，华东野战军己完成了战役展开，实现了对李仙洲集团的战役合围。
2月19日，王耀武发现解放军主力北移，特别是发现莱芜以西、以东均有部队集结，加上几个被俘国民党兵逃回告密，更加判明解放军进攻新泰、莱芜的意图。遂当机立断，再次调整部署：“19日，情况益趋紧张，为顾虑兵力过于分散被匪各个击破计，乃独断处置，立令整46师迅速集结颜庄，占领楼里、龙山及其东西之线，73军占领莱芜城及其以南山地，准备作战”，“本部因鉴于当面情况之危急，为便于作战指挥掌握计，改将112军（欠新36师）调至张店、明水一线担任铁道守备，而将96军之12师推进到文祖镇，协同新36师维护明水至吐丝口补给线，77师由张店经博山向吐丝口归制。”（王耀武：《关于临沂战役战斗详报》）
华东野战军总部，针对敌情变化，亦相应调整部署：着第4纵队及第8纵队一个师协同第1纵队，攻歼莱芜地区之第73军；第8纵队（欠1个师）调和庄协同第九纵队伏歼南下归建的第77师，其他部队任务不变。
8、 莱芜守敌被歼大部
20日晚，华东野战军发起全线攻击。第1纵队一举攻占莱芜西郊、北郊的矿山、小洼等要点，并在21、22日连续打退了优势国民党军在飞机掩护下的猛烈反击，这就为后续各纵队赶赴战场赢得了时间。野战军首长赞誉该部：“在整个战役中起了决定作用”，立了“第一功”。（粟裕在华东野战军高干会议上对莱芜战役的总结讲话，1947年3月8日）与此同时，第10纵队攻占莱芜西北的锦阳关；第9纵队控制了莱芜东北的和庄、青石关地区；第6纵队在攻击莱北交通咽喉吐丝口时，遭到了守军第12军新编第36师的顽强抵抗。经3昼夜激战，虽然占领了该镇大部地区，但残敌仍负隅顽抗。于是，以主力继续围攻该师残部，以1个师在镇南构成对莱芜之敌北撤的阻击阵地。至此，莱芜地区国民党军的北撤道路被完全切断。
华东野战军原拟对驻莱芜的第73军与驻颜庄的整编第46师采取分割包围、各个歼灭。但是，未及完成部署，整编第46师即于22日撤入莱芜城。于是，华东野战军再次调整部署：以第1、第7纵队和正由南线北开的第2纵队组成西突击兵团，以第4、第8纵队组成东突击兵团。如李仙洲集团固守莱芜，则于23日晚对其发起总攻；如该部向北突围，则将其夹击聚歼于莱芜以北地区。
龟缩莱芜城内的国民党军，在华东野战军重兵包围下十分恐慌。李仙洲几次召集高级将领研究对策，有的主张固守待援，有的主张冒险突围。在突围的时间与方式上，也各持己见，莫衷一是。最后，第2绥区司令官王耀武考虑到李仙洲集团据守孤城，易于被歼。突围北撤，既能接应、救援吐丝口守军，又有利于巩固胶济线与淄博矿区以至济南的防务，遂对李仙洲下达了突围命令。
23日晨，李仙洲集团集结城北，以第73军为左纵队，整编第46师为右纵队，准备并行突围。但在临出发前，整编第46师师长韩练成“失踪”，更增加了突围指挥的混乱。
原来，韩练成早在抗日战争期间就与共产党建立了联系。莱芜战役开始前，华东野战军即派敌工干部去该部工作。按照野战军首长的意图，韩练成在整个战役期间，对李仙洲采取了敷衍、拖延的消极态度。在突围的关键时刻，韩在解放军敌工人员引导下，托故躲入城内，放弃指挥。
当莱芜国民党军开始突围时，华东野战军采取了“围三阙一”的战法，诱使国民党军放胆北进。待其后尾脱离城北矿山最后一个据点，立即以第4纵队一部占领莱芜城，断敌退路。李仙洲集团所以采取2个军4个师齐头并进的队形，原指望缩短纵深，加强突击力量，以一鼓作气迅速突出重围。但是，人多路少，人员、马匹、辎重、车辆拥挤在狭窄的道路上，根本无法保持正常的行军队形，反而影响了兵力、火力的展开。
10时许，其先头部队进抵芹村、高家洼一线，即遭华东野战军第6纵队的迎头阻击。隐伏在两侧山区的东西两突击兵团同时进行向心突击，迅速将敌军割裂成数段。国民党空军副总司令王叔铭亲自带队，指挥数十架飞机组成的庞大机群掩护突围。但在敌我交错的混战状态，也无能为力。
战至17时，李仙洲集团大部被歼于莱芜、吐丝口间东西约三四公里，南北仅一二公里的狭窄地域内。第73军军长韩浚率千余人钻隙突围至吐丝口，会同据守该镇的新编第36师残部向博山方向逃窜，也被解放军预先部署的阻击部队第9纵队歼灭于青石关地区。
王耀武在得悉李仙洲集团被歼后，为确保济南、潍县、青岛诸要点，迅速收拢胶济沿线各部队。华东野战军就势收复胶济铁路西段及其两侧的县城13座，控制铁路200余公里。这样，就使鲁中、胶东、渤海各解放区重新连成一片，巩固了华东的后方基地。
9、 军长韩练成突然失踪
在我军严密包围下，龟缩莱芜城内的李仙洲守逃两难，束手无策。是固守待援，还是向北突围，争论不休，李仙洲也举棋不定。王耀武明知已中我军之计，但也无可奈何。