3日下午，整编第3师第3旅被诱至大黄集，师部进至天爷庙，第20旅进至大杨湖;整编第47师进至三丘店、常路集以南。23时30分，晋冀鲁豫野战军左右两集团突然对整编第3师发起攻击，首先把攻击重点指向较弱的第20旅，同时以一部兵力佯攻和牵制其师部和第3旅。

4日，整编第3师在飞机、坦克配合下顽强抵抗，晋冀鲁豫野战军仅歼其3个营。整编第3师师长赵锡田发觉已陷入重围，紧急求援。刘峙令其他各师驰援。

4日，整编第47师企图由南面向整编第3师靠拢，被第3纵队阻于桃园地区;其余各师亦向整编第3师增援。5日，晋冀鲁豫野战军向整编第3师发起全线猛攻，战至6日晨，于大、小杨湖地区全歼其第20旅，重创第3旅，并进逼其师部。

中午，整编第3师师部与第3旅残部向南突围，晋冀鲁豫野战军于秦砦附近地区将其全歼，俘赵锡田。整编第3师被歼灭后，国民党军各路援军即向考城、兰封方向撤退。晋冀鲁豫野战军抓住有利战机，于7日对整编第47师从侧后展开猛烈卷击，经1天激战，全歼其2个旅。

同时，追击整编第41、第55、第68师，8日上午又歼其约1个团。至此，郑州方向国民党军的进攻被挫败，徐州出犯的国民党军仍被阻于城武地区。定陶战役历时5天，晋冀鲁豫野战军歼灭国民党军1个整编师师部、4个旅共1.7万余人，其中俘1.2万余人。

这一胜利，连同中原军区部队突围的胜利和苏中大捷，对整个解放区的南部战线起了扭转局面的重要作用。此役共产党成功从国民党手中夺来了山东地区鲁西北鲁西南地区的领导控制权，并且歼灭了国民党主力，俘获了两个国民党的中高级将领，打击了国民党士气，还缴获了60万颗子弹和三门挺机炮，756门重型机枪等宝贵的军用物资，还有部分国外进口的军需物资装备，为后来的战略反攻成功奠定了物质基础。

正在蒋介石一筹莫展之际，赵继统却被蒋夫人请了过去，不过不是在黄埔路国民**国防部大院内的官邸（又名憩庐），而是位于中山陵内小红山上著名的美龄宫。正式名称为“国民**主席官邸”，曾被美国大使司徒雷登誉为“远东第一别墅”。