爱华网军举行出击陇海路战役后，国民党军于8月下旬迅速在郑州、徐州之线集中14个整编师、32个旅共30万人，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，进而控制鲁西南。其部署是：国民党军徐州绥靖公署主任薛岳集中第5军、整编第11、第88师共5个多旅的兵力，自分三路砀山、虞城之线，向城武(今成武)、单县、丰县、鱼台地区进攻；郑州绥靖公署主任刘峙以整编第3、第41、第47师和整编第55、第68师各1个旅及暂编第4纵队3个团等共约10个旅的兵力，分三路自封丘、开封、考城、商丘之线向东明、定陶、曹县地区进攻，准备以优势兵力钳击晋冀鲁豫野战军主力于定陶、曹县地区，进而打通平汉路，控制鲁西南；另以第31集团军王仲廉部等13个旅的兵力在平汉线之安阳、新乡及其以东地区佯动，配合主战场进攻。8月28日，各路敌军开始行动。
中央军委于8月22日指示晋冀鲁豫野战军：凡无把握之仗不要打，打则必胜；凡与敌正规军作战，每战必须以优势兵力加于敌人，其比例最好是四比一，至少是三比一，歼其一部，再打另一部，再打第三部，各个击破之。晋冀鲁豫野战军司令员刘伯承、政治委员邓小平遵照中央军委指示，对当面敌情作了周密的分析，认为国民党军徐州、郑州两部进犯敌军共分六路，虽在兵力和装备上占有优势，但每路只有一至两个师，且徐州、郑州两绥署在指挥上属两个指挥系统，指挥不统一，且深入腹地、多路进攻，必将陷于战线过长、兵力不足的境地；冀鲁豫战场解放军主力虽然只有4个纵队5方余人。但只要集中兵力在运动中寻歼其主攻方向主力一部，就能瓦解国民党军的攻势。鉴于徐州绥署各部出犯之敌皆系蒋介石嫡系，其第5军及整编第11师战斗力强；由郑州绥署各部虽是主攻部队，但战斗力较弱，其中整3师(辖第3旅、第20旅)、整47师又是主攻方向中的主力，而除整编第3师属嫡系，其余如整编第47、第41师原系川军，整编第55、第68师原系西北军，各图保存实力，估计当我攻击整编第3师时增援不会积极。据此，刘伯承、邓小平遂确定首先歼灭整编第3师于定陶西南地区，而后视情况再歼整编第47师大部或一部；另以地方武装分别钳制其余各路国民党军及新乡、安阳方向之敌。我军将主力3个纵队集结于定陶西南，而以小部队采取运动防御，引诱整3师至预设战场；为使我军兵力达到四倍于整编第3师的优势，决定从豫北急调第2纵队到东明东南地区集结待机。
9月2日，整编第3师被我第6纵队2个团诱至定陶以西之秦砦、桃源地区(今桃园)。整编第47师进至定陶西南之黄水口、吕砦地区。时国民党军郑州绥靖公署主任刘峙又将整编第3师和整编第47师会攻定陶的计划改为整编第3师攻菏泽、整编第47师攻定陶，由此，上述两个师的间隔加大到20至25公里。同时担任牵制任务的各部解放军已有力地阻遏了东路以及西路其他各部进攻的国民党军，使整3师和整47师处于孤立突出的态势。晋冀鲁豫野战军司令员刘伯承决定乘徐州、郑州两路敌军的钳铗尚未合拢，郑州各路敌军比较分散，整编第3师又遭我沿途阻击、十分疲惫之机，待该师进至定陶以西的大杨湖地区加以歼灭。部署是：以第2、第6纵队共5个旅为右集团，主力由北向南，一部由东向西实施攻击；以第3、第7纵队共4个旅为左集团，首先楔入整编第3师和整编第47师之间，割裂两敌联系，尔后以主力由南向北协同右集团攻歼整编第3师，以一部阻击整47师。
3日下午，国民党军整编第3师被诱至大杨湖、天爷庙、大黄集预定战场。整编第47师被阻于桃源、长乐集以南。午夜，晋冀鲁豫野战军主力对整3师发起攻击，左、右集团把攻击重点首先指向大小杨湖及阎寨的整编第3师第20旅，同时以一部兵力佯攻牵制天爷庙及周集、大黄集的整编第3师师部和第3旅。在整编第3师被我包围后，刘峙于4日急令整编第47师向左集团第3纵队左侧背猛攻，令整编第41、第55、第68师分从西北、正南、东南方向由东明、曹县向整编第3师增援。但在各阻援部队坚决阻击下，未能靠拢整编第3师。当夜，第6纵队加强对敌第20旅的攻击，以第16、第18旅分别经张集、范砦和张大庄、马庄以钳形攻势，合击大杨湖，第17旅位于杨磨头待机。23时30分，战斗开始，被围的国民党军在飞机、坦克配合下顽强抵抗并急呼求援。由于国民党军火力较强、协同密切，而进攻部队未能集中兵力保持持续突击力，激战至5日挽晓，未能突破其基本阵地。此时，国民党军援军分由东明、曹县地区向整3师增援。晋冀鲁豫野战军遂调整部署，除以一部兵力阻击援军外，以第6纵队全力攻歼大杨湖国民党军，以第2纵队1个旅对大黄集、周集和小杨湖国民党军进行牵制、攻击。5日夜，左、右集团各纵队发动全线猛攻，进攻部队相继从大杨湖村西南、东北、东南突破，均遭依托房屋、地堡之国民党军火力拦阻，激战持续两昼三夜，未克。6日5时，第6纵队投入预备队，全力向守军再次发起猛攻，战至8时，全歼大杨湖国民党军第20旅第59团，重创第3旅，并进逼天爷庙整编第3师师部阵地。当日中午，整编第3师师部和第3旅残部向南突围，企图与整编第47师靠拢。我军乘敌脱离工事陷于混乱的有利时机，全线出击，迅速将该敌歼灭于秦寨附近地区。
整编第47、第41、第55、第68师等部得知整3师被歼后，即向考城、兰封撤退。晋冀鲁豫野战军抓住战机，迅速转移兵力，7日，以主力向整编第42师侧背实施猛烈卷击，激战1天，将该师两个旅歼灭于撤退途中。同时，以一部兵力对整编第41、第55、第68师展开追击，歼敌约1个团，乘胜收复东明。其余敌人仓皇撤退至考城、兰封之间转入防御。徐州方向出犯之敌被我阻遏于城武地区。至此，国民党军的进攻遂被粉碎，定陶战役胜利结束。
此战，解放军以伤亡3500余人的代价，歼灭国民党军4个旅17200人，其中俘敌12200人，毙伤5000人，俘敌整编第3师中将师长赵锡田。《解放日报》9月12日的社论指出：这一胜利，连同中原我军突围的胜利与苏中大捷，“对于整个解放区的南方战线，起了扭转局面的重要作用。”定陶大捷也使国民党军的上层受到很大震动，郑州绥署主任刘峙因此被撤职，由陆军总司令顾祝同兼任该署主任。
点评：定陶战役再次证明，我军依托解放区实行内线作战，可以获得大量歼敌的良好战机。这个战役在作战指导上最成功之处是，我军既坚决又灵活地贯彻了集中优势兵力各个歼敌的战法：在整体上敌军兵力占有巨大优势并向我军实行分进合击的情况下，我军正确地选择了诸路敌人中较弱的一路为突击目标，并使用地方武装和民兵于次要方向担任钳制任务，调集一切能够调集的主力于主要作战方向，从而使主要作战方向的兵力达成了四倍于敌的优势；同时，在主要作战方向上，也实行分批逐次歼敌，使集中优势兵力的原则不仅贯彻于总的战役指导，并能体现于具体战术部署上；但对溃逃之敌，则仅临之以相对优势的兵力。
刘伯承司令员在总结战役经验时说：“一，诱敌人解放区打为有利，但必须组织有力而适当的运动防御，消耗敌人弹药，损伤其人马，造成我主力决战的有利条件；二，对战斗力不强，特别是两个系统的敌人，我们可以插入其纵队中间钳击一部(对善于突击的而又积极的敌人又当别论)；三，在战役上，集中优势兵力打敌基干军队，打敌嫡系为有利；在战术上，以兵力重点打击敌人弱点而各个消灭之，容易收效。”弱点也存在不少“弱点亦不少，如组织上头大脚小，连队极不充实；三日、四日协同作战太差，战术上集中兵力打一点的运用仍嫌不够；因对空袭无法，尤其是在敌人火力太强的条件之下，而我弹药奇缺，故不能白天作战等等。”
