陇海战役结束后，敌人迅速在郑州、徐州两个方向集中了14个整编师32个旅共30万人，于8月28日开始对冀鲁豫区疯狂进攻。企图乘我军未及休整之机，以优势兵力合击我军于定陶、曹县地区，并引进黄河水入故道，从而分割解放区，控制鲁西南，然后以主力进击漳河地区，打通平汉路。

8月22日，晋冀鲁豫野战军领导遵照中央军委指示，对当前敌情作了周密的分析，决心集中野战军主力寻机先歼敌整编第3师，打开局面，而后视情况再歼整编第47师一部或大部，以粉碎郑州各路敌军进攻，破坏郑州、徐州敌军的钳形攻势。同时确定，战役的一切准备，必须于9月2日以前完成，争取于9月3日或4日发起攻击。
至9月2日，我军主力已经休整了4天，群众的组织动员、战场准备、后勤组织等工作都已完成。晋冀鲁豫野战军领导决定利用徐州、郑州两路敌军的钳形工事尚未合拢，郑州各路敌军间隙较大，以及整编第3师陷于疲惫的时机，于3日晨，放手诱整编第3师冒进，争取3日夜发起攻击，并将战场西移至韩集、安陵集以西的大杨湖地区。

9月3日下午，敌整编第3师果然按晋冀鲁豫野战军首长计划的时间、路线进入我预定战场大杨湖、天爷庙、大黄集地区，整编第47师被阻击于桃园、常路集以南。当夜23时30分，晋冀鲁豫野战军主力对整编第3师发起进攻。

4日，敌在飞机、坦克配合下，顽强抵抗，我仅歼敌3个营。5日夜，我发动全面猛攻。至6日晨，第6纵队全歼敌第59团。第2、第3、第7纵队也胜利地完成了歼敌一部的任务。至此，敌第20旅被全歼，第3旅遭重创，整编第3师陷于混乱动摇中，整个战役的局面也就打开了。6日午，敌整编第3师师部与第3旅向南突围，企图向整编第47师靠拢。但我军早有准备，乘敌脱离工事，混乱退却的之机，全线出击，将其全歼于秦寨附近地区。敌整编第3师全军覆没，中将师长赵锡田被俘。

9月7日，我军组织主力向敌整编第47师（当时该敌指挥其第127旅与整编第41师之第122旅）侧背实施猛烈攻击。经1天激战，该敌2个旅在溃退中被我全歼。与此同时，晋冀鲁豫野战军又以一部兵力，对撤退的整编第41、第55、第68师等敌展开追击。至8日上午，歼敌约1个团，乘胜收复东明城。至此，定陶战役即告结束。

是役历时5天，歼敌4个旅共1.7万人，其中毙伤敌第20旅旅长谭乃大以下5000余人，俘敌1.2万人。战役期间，深入陇海路南的第7纵队第21旅收复太康、淮阳两城。太行部队在豫北开展广泛的游击战争，反复破击安阳、汲县段铁路，对取得战役的胜利起了有力的配合作用。

定陶战役打垮了敌人向我冀鲁豫根据地进攻、企图围歼我野战军主力、打通平汉线的图谋，严重地打击了敌全面进攻的疯狂气焰，提高了全区党政军民战胜敌军进攻的胜利信心。陇海战役和定陶战役是刘伯承“敌进我进”军事战略思想的成功实践。