李仙洲于1月底率領霍守義12軍、韓練成46軍（韓系共諜）、韓浚73軍自膠濟路南下，當華野主力悄然北上之時，李兵團已進至沂蒙山區的萊蕪、新泰一線。該兵團第46軍與第7軍一樣，系新桂系主力，韓浚73軍則與張靈甫74軍一樣，系王耀武嫡系部隊，第46、73軍均系美械軍。

2月10日，除韋國清二縱、何以祥三縱留在南線阻擊國軍外，共軍集結了7個縱隊27萬餘人，星夜兼程北上，對李仙洲兵團實施包圍。

2月15日清晨，韋、何共軍在逐次抵抗後放棄臨沂，當日午後，李天霞100軍率先進駐中共山東首府---臨沂。蔣介石、陳誠等，皆對此“巨大戰果”欣喜不已。

然而，濟南的王耀武，卻對國軍如此輕易佔領臨沂，產生重大警覺，他斷定南線國軍絕無任何“大捷”，共軍主力到底去哪裡了呢？當晚，他得到空軍報告，在費縣西北發現大股共軍向北急進，王耀武敏銳地判斷出粟裕之戰略意圖；16日晨，王耀武命令李仙洲全軍逐次北撤，隨後，王耀武向薛岳通報他的敵情判斷（注：抗戰時期，薛岳長期領導王耀武作戰），薛岳表示同意王耀武之判斷，批准李兵團北撤；然而，陳誠在得悉李兵團北撤後，立即電示王耀武，表示共軍主力已在臨沂潰不成軍，共軍殘部系企圖竄至河北，陳誠嚴令王耀武命其部堅守萊蕪、新泰，不得後撤，南北夾擊之戰略，不可流產！

2月17日，王耀武無奈命令正在北撤中的李仙洲兵團掉頭南返，但命令霍守義12軍停止南下，留駐張店，以維持李兵團與膠濟鐵路的一線聯繫。

正在為李仙洲突然北撤而焦慮萬分的粟裕，得悉李兵團又自行歸來，狂喜不已，令北上各軍加速前進，儘快完成對李兵團之合圍。

然而，人算不如天算。19日，此前在嶧棗戰事被共軍俘虜的國軍數名官兵，乘間逃至萊蕪，告知李仙洲“共軍主力正向萊蕪四面撲來”，王耀武得悉後，立即命令韓練成46軍由新泰星夜返回萊蕪，令李仙洲待46軍到達後，全軍立即北返。

粟裕發現46軍北撤，雖然此刻共軍尚未完成對李兵團的合圍，但已無法再行等待，20日中午，共軍提前對駐守萊蕪、和莊之73軍各師展開進攻；22日下午，46軍突破共軍阻擊，到達萊蕪。

李仙洲命令46軍、73軍立即聯袂向北突圍，然匪諜韓練成表示要在萊蕪與共軍決一死戰，46軍背景特殊，該軍188師師長海競強是國防部長白崇禧的親外甥，而新桂系軍隊向來輕視共軍，再經韓練成蠱惑，該軍各師師長群情激昂，均表示要在萊蕪決戰。李仙洲、韓浚只得電請王耀武指示，王表示圍困萊蕪之共軍兵力當在20萬以上，必須迅速突圍，此時，韓練成又表示夜間突圍危險太大，白天突圍有空軍掩護，把握較大；李仙洲則認為時不我待，必須當夜堅決突圍，最終，王耀武妥協了，定於次日清晨6點突圍。

23日清晨6點，46、73兩軍5個師集結完畢，李仙洲卻發現韓練成失蹤了，李與46軍將領們苦苦等待了他們的韓軍長近三個小時，終於開始突圍；李仙洲在撤離萊蕪時，尚誤以為韓練成為共軍特務人員所害，為此自責不已，“韓軍長活不見人死不見屍，我們便撤離了，對不起他呀”。

然而，正是這一夜加一早的時間，徹底斷送了李兵團，當日上午，在萊蕪以北之和莊苦鬥了三日的73軍77師全師覆沒，師長田君健陣亡，共軍徹底完成了對李兵團的合圍。在共軍八個縱隊二十七萬大軍的猛烈進攻下，混亂不堪兼之無險可守的李兵團於23日晚即告覆沒，自李仙洲以下所有少將以上將領21人悉數被俘，李兵團除留守張店的霍守義12軍倖免外，其餘5.6萬餘人均告葬送，李仙洲有幸成為華東戰場第一位被俘的兵團司令。萊蕪之戰，共軍傷亡8000餘人。

萊蕪戰役的同時，共軍九縱兼膠東軍區司令員許世友，見守備膠濟路的國軍有多達三個軍南下，膠濟路防務極其空虛，乃率部對膠濟線東段展開破襲戰，至3月2日，濰縣以東，除青島外，全部複為共軍佔領。至此，去年王耀武花費四個月時間打通的膠濟線，共軍只用了半個月便奪回控制權。