国民党方面掌握我军行动方向，1纵等主力南下作战已不可能，原作战计划需要改变。陈毅等人研究了敌军的行动，感到鲁西南地区敌军力量相对薄弱一些。
为了分散敌军兵力，求得在运动中歼敌主力，野战军指挥部决定以1、3、10纵组成西线兵团，由陈士榘参谋长、唐亮主任统一指挥攻击泰安。其余各纵队待机行动。
5、 血战7昼夜阻敌10万余
国民党军见华东野战军停止南进，遂于4月中旬全线发起进攻。第1兵团除以一部守备临沂、郯城、新安镇等地外，主力积极“清剿”临沂、郯城以东和新安镇、海州以北地区，企图阻华东野战军南下华中，并伺机配合第2、第3兵团的进攻。第2、第3兵团主力积极向新泰、蒙阴推进，企图占沂蒙山区，逼迫华东野战军主力退于滨海一隅，然后与其决战。第3兵团以一部兵力守备泰安。
华东野战军为分散国民党军之兵力，求得在运动中各个歼灭其主力及南下开辟华中战场，于4月中旬制订了泰蒙战役计划：以陈士榘参谋长指挥第1、第3、第10纵队围攻国民党军左翼、态势孤立的泰安守军整编第72师，吸引整编第75、第85师由大汶口北援而歼灭之，并诱进犯新泰、蒙阴之国民党军回援，而后集中野战军主力分批寻歼回援的第5军及整编第11师等部于大汶口、太平邑地区；以华东野战军副政治委员谭震林指挥第2、第7纵队集结在青驼寺、双候集以东地区，第7纵队待机南下华中；以第4、第6、第9纵队集结在新泰、蒙阴地区，待机出击；以第8纵队进入临磁公路以南山区，歼灭整编第64师主力。
泰安，地处津浦路徐济段要冲，交通便利，是鲁中重镇、军事要地。守备泰安的整编第72师原为川军之精锐，日械装备，擅长守备，辖第34旅和新编第13、新编第15旅，共2.8万人。其部署：以第34旅主力（欠第3营）守备城区，以一部配置在东、南、北关外各要点及泰山南麓、韩家岭、摩天岭、玉皇顶各要点；新编第13旅（欠第37团）附新编第15旅主力守备城西关基督教堂以北、育英中学以南及清真寺以西娘娘庙、泰安车站、蒿里山、云山庄至铁路以东霍家窑之线各要点；师部在城内。在各要点上，整编第72师均构筑了较坚固的防御工事，凭坚据守。
22日夜，第10纵队以及加强该纵的3个榴弹炮连按时发起进攻，相继攻占泰安四周据点，包围该城，第1、第3纵队开至泰安以南津浦路两侧地区，准备打援。但至24日，大汶口等地之国民党军整编第75、第85师虽近在咫尺，亦不敢出援泰安。
华东野战军遂决定增调第3纵队第8师和第9师一部于24日夜配合第10纵队，加速攻占泰安，歼灭守军整编第72师。以第10纵队从泰安北、东和东南方向攻击；以第3纵队部队从泰安西南、西北方向攻击。经彻夜激战，控制泰安四关大部。
当时担任第3纵队第8师政治委员的王六生后来记述该师参战和攻占蒿里山要点的情况：国民党军这次进攻“采取的是密集平推的部署，西起津浦线，东至临沂，在飞机、坦克配合下，叫嚷着要撵我们‘跳黄河’，日夜向北压来。那阵势，那凶焰，真像要把泰山推倒，把沂蒙山踏平似的。我们一路往北走，干部、战士就嘀咕起来：‘怎么搞的，真的要过黄河呀？！’‘过了泰山，往北到济南府，就是黄河了！’直到泰山脚下停住步，有的人才眉开眼笑地说：‘要从泰安开刀了。’”。他还说：该师在鲁南战役后，多是打阻击，演“配角”，这次担负主攻任务，指战员们的战斗情绪特别高涨，投入战斗后，便打了一个硬仗，攻占了蒿里山。（王六生：《泰安脚下》，《星火燎原》选编之8，第441、第443页）
蒿里山，离泰安城7里，俯视泰安全城，扼守津浦铁路。国民党军第72师派有重兵固守这一制高点。第8师一部于24日晚投入战斗后，即向蒿里山发起强攻，经半夜激战，多次冲击，虽付出较大伤亡，但仍未能拿下主要山头。该部改变战术，再次发起冲击，采取小群动作、互相掩护、交替前进的战术，打掉敌人的子母堡，仅用30分钟，就攻占蒿里山，接着又占领火车站，为大部队攻城扫除一大障碍。
25日黄昏，对泰安城发起总攻。第10纵队第28师首先从东门突进城内，接着第29师和第3纵队部队也相继从南门和西门突进，经过多次猛烈冲锋，激战至26日10时，歼灭国民党军整编第72师师部和新编第13旅、第34旅共2万余人，俘其中将师长杨文泉、新编第13旅少将旅长杨本固、少将副旅长宋竹青、少将参谋长韩明、第34旅少将旅长李则尧、少将参谋长刘新甫等官兵15000余人。
整编第72师系原川军精锐，师长杨文泉24日还向顾祝同拍胸保证，要坚决守住泰安。他怎么也没有料到，不到两天，就把泰安丢了，自己也当了俘虏。
国民党政府对泰安战局异常关注，山东省政府主席兼第2绥靖区司令王耀武经常向行政院院长张群电告战况。直到4月30日，他才报告：“4月22日敌进犯泰安附近。”行政院负责官员看到后哭笑不得，乃批示道：“据报载及国防部白部长在立法院5月1日报告，泰安业己陷敌手，但该省4月30日来电所报尚系敌开始进犯泰安之情形，且该电5月2日始到院，是以此项情报，不免失去其军事机要价值矣！”（国民党《山东省政府反共军事战况及情报》）
泰安是在坚决阻击国民党军的强大援军的情况下攻取的。对此，华东野战军在《泰蒙战役概述》中作了详细记载：自4月20日起至27日止，在云蒙山麓东起界牌、西至观山100里的战线上，我军展开了英勇的阻击战，第8、第9纵队经7昼夜的血战，阻击了10余万敌军的陆空猛烈进攻，其中尤以云台山、天台山、黑山、白马关、紫锦关等地得而复失、失而复得，战况更为激烈，给进犯之敌以4000人以上的杀伤，保证了攻打泰安的胜利。
攻克泰安、歼敌整编第72师主力并阻击10万大军的增援，是华东野战军迎击国民党军对山东重点进攻中取得的首次胜利，中央军委5月6日在给陈、粟的电报中，对此役评价很高，称之为“泰安大胜”。
6、 华野丢失战机，军委勉励有嘉
国民党军主力在整编第72师在泰安被歼后，仍按原计划继续向新泰、蒙阴地区进攻。华东野战军为了创造新的战机，对部队作了如下部署：一面以第1、第3、第6纵队沿津浦路侧南下，出击宁阳，威胁敌重要补给基地兖州，诱歼可能西援之敌第5军，其中以第1纵队直攻宁阳，第3纵队相机围攻兖州，第6纵队位于汶河南岸准备打援，并以第10纵队向肥城进攻，迷惑和分散敌人；一面以主力主动撤离新泰、蒙阴，转移到临蒙公路以东地区，待机歼敌。
4月27日，第1纵队一夜强行军80余里，以奔袭攻势包围宁阳，28日解放该城。
29日，国民党军占领新泰、蒙阴。这时，其整编第74师分布在界牌、蒙阴地段，整编第64师2个团位于垛庄，整编第83师控制于双侯集、青驼寺地段，整编第25师位于桃墟及其以西地区，第7军和整编第48师位于河阳、汤头一线。这个态势表明，临蒙公路沿线的国民党军配置分散，间隔较大，且刚到各地，立足未稳。
当日晚，华东野战军决心乘机攻歼临蒙公路沿线的国民党部队。部署是：以第2纵和第7纵队主力攻歼其第83师，并以1个师位于青驼寺以南地区打击可能由临沂、葛沟来援之敌；以第9纵队攻歼垛庄、界牌沿线之第64师和第74师；以第7纵队控制于尧山、塌山、天马山、界牌等地，准备打击可能由新泰来援之第11师；以第8纵队位于坦埠东南地区为总预备队。各纵队发起攻击后，国民党军各部十分警觉，未作有力抵抗，即急速收缩，退踞公路以南山区固守待援。
30日，华东野战军准备攻击退守南山之国民党军第25、第74、第65师等部，但因主力来不及迅速集中，未能实现。仅第7纵队于当天下午在青驼寺以北歼敌第83师第44旅一部，5月1日下午又在青驼寺以南的磨石沟歼第44旅1个团，共歼敌1个半团。2日，国民党军第7军和第83师全力向临蒙公路增援，第5军亦向新泰快速开进，华东野战军主动撤出战斗。
当天，陈毅、粟裕等人报告中央军委：4月30日至5月1日，本为我军围歼第74、第25、第65师等部计7个旅之绝好机会，不料我展开兵团已西渡汶河，转到宁阳方面，回师不及，故不能适时施行对第74师等部之攻击。4天后，中央军委复电勉励：“得悉青驼寺歼敌三千。但因1纵远去宁阳，来不及集中兵力打74师等部，失歼敌机会。……但失去一次时机并不要紧，当着不好打之时避开敌人挑衅，忍耐待机，这是很对的。”
3日，华东野战军鉴于国民党军整编第11师刚占新泰不久，又决心以第4纵队协同由津浦路西东返的第1、第3、第6纵队，求歼该敌，并于当夜完成了包围，但因敌第5军和整编第85师迅速向新泰靠拢，遂撤出战斗。
至此，泰蒙战役即告结束，此役共歼敌24000余人。
7、 盘点
泰蒙战役，华东野战军歼灭国民党军整编第72师师部、第34旅、新编第13旅、新编第15旅一部，整编第83师1个半团，新编第10师1个团（2个营），俘国民党军1.4万人，毙伤国民党军1万人，总计2.4万人。共缴获榴弹炮4门、战防炮5门、迫击炮28门、机枪530余挺、长短枪5600支、掷弹筒200余具、火焰喷射器3具、各种弹药50余万发、汽车20余辆，击落飞机1架，收复泰安、宁阳等10座县城及鲁西广大地区。华东野战军伤亡3000人。
泰蒙战役，华东野战军歼灭国民党军整编第72师主力，并打乱了国民党军的部署，给国民党军的重点进攻以打击。
实践经验证明，在力量对比方面，国民党军占绝对优势的情况下，华东野战军只有认真贯彻执行运动战思想，不在于一城一地的得失，充分利用在解放区腹地作战的有利条件，大踏步地进退，高度机动回旋，调动迷惑国民党军，创造战机，才能消灭国民党军。在华东野战军的南下行动企图暴露后，野战军首长发现国民党军侧翼泰安守备部队态势孤立，毅然以一部兵力挥师西进，采取阵地攻坚的战法，取得了消灭国民党军整编第72师主力的胜利。
华东野战军第10纵队的广大指战员认为，这是“正确地执行了毛主席的运动战（战）略方针”（《第10纵队泰安战役后部队解放讲话材料——再接再厉为争取第二步继续战斗的胜利而斗争》，1947年）的结果。这一时期，华东野战军在作战中的主要教训是，耐心持重不够，战役意图过大，兵力不够集中，致使几次作战决心未能实现。
在为时1个多月的泰蒙战役中，华东野战军在鲁南、鲁中的广阔地区实行高度机动作战，力求调动敌人，捕捉战机，多次定下歼敌决心，除在泰安歼敌整编第72师主力外，其余各次均因敌军采取了密集稳步推进的新战法和自己兵力不够集中，而未能实现。但是，这种连续急速转移，时东时西，时南时北，时分时聚，时打时走，并对临蒙公路和新泰之敌，先是围而不攻，继又主动撤围后退，既迷惑敌人，使其难以判断解放军的意图和动向，又纵容敌人，使其增长骄傲和冒进情绪，从而为即将到来的孟良崮战役的胜利创造了条件。
然而，对于此次战役，国民党中央社4月30日和5月4日宣称：“逆沂河南岸北上的汤恩伯兵团以压倒之势向前挺进，战果辉煌”，“临沂蒙阴道上国军汤恩伯兵团，又在青驼寺北造成空前大捷，正挟连胜雄姿，向共军冲击中”。（《中央日报》，1947年5月1日、5日）可见其狂妄之极。