在莱芜战役即将打响的时侯，王耀武为挽救李仙洲集团被歼危境，命令侵入我掖县，昌邑地区的第8军（欠一个师）向南收缩，准备西调增援。我胶东军区遂决定以第三旅（后编为第九纵队廿七师）、新五师及其他地方部队，于胶东地区予以截击，钳制敌第八军西援。19日，敌第八军开始西进，我新五师第15团即迅速进占沙河至灰埠之间要点黑羊山，其他各路部队也开到烟（台）潍（县）公路两侧地区，继而将敌第166师截于沙河镇。20日，沙河、灰埠之敌从东西两端向黑羊山阵地反击，妄图夺回该阵地，被我新五师及第三旅分别击溃。同时，我第三旅第18团猛攻公路要点驿塘，歼灭敌第8军103师的307团及一个辎重营一部，21日，莱芜李仙洲部告急，主耀武急令第八军迅速西援，并以新河（昌邑以北）第103师沿公路东进接应第166师突围。敌数次进攻被我坚决击退后，166师遂绕道西窜，我新五师第三旅迅速展开追击，于烟潍公路沙河至新河段追歼第166师的498团大部，活捉了该团团长。至23日，被我截歼三千余人的第103、166师残部才逃回潍县。此时，我莱芜作战已胜利结束。
此外，我渤海部队对张店、金岭镇间铁路线实行破袭，使敌无法通车，钳制了沿线敌人南援。晋冀鲁豫野战军也先后在皖北、豫东及鲁西地区积极出击，钳制了敌王敬久集团，有力地策应了华东我军的作战。
扩大战果，乘胜收复城镇
2月23日，莱芜作战即将结束时，中央军委、毛泽东主席向华野电示：“本战役胜利后，乘胜进攻胶济路。如你们部队损伤不大，又不和敌主力第8军等作战，可实行此项方针。”否则，可“休整若干天，整顿队势，然后进攻胶济路。”华野根据军委指示和当时敌情，决定派第九、十纵队向胶济线进击；主力休整三、五口后，再北进胶济线歼敌第12、8军一部。23日下午6时，华野司令部即命令第九纵队向博山攻击前进。23日晚，由于李仙洲集团被我军全歼后，王耀武怕我乘势进攻济南，星夜将其胶济路西段的第12军和淄博的五个补充团撤至济南，加强其城防，24日后，我军乘胜解放了博山、淄川，明水、邹平，益都等县城，以及周村、张店等重要城镇数十处，控制了东自昌乐西至王舍人庄的铁路线三百余华里。根据当时新的态势，华野司令部遂决定第八、九纵队继续向东扩展，求歼敌第8军及54军一部或大部；第一、二、四、六、七、十等六个纵队集结张店、周村、明水地区休整待机。
我军莱芜战役的胜利声威，吓坏了胶济路沿线的国民党部队，继王耀武从胶济路西段仓皇撤走其第12军等部后，胶济路东段的敌人也惧怕被歼，纷纷向昌潍，青岛回窜。我胶东军区部队，根据华野司令部的部署，乘机发起了以攻歼咋山庄车站为中心的胶济路东段战斗。昨山庄车站位于高密。潍县之间，由敌交警第15总队防守。2月28日，我胶东军区部队（新五师、第三旅、一支队、西海独立团等）远道奔袭，进击昨山车站及其两侧敌人据点。当日黄昏发起攻击，经一昼夜激战，全歼敌交警第15总队及潍县自卫团一个营，共2，600余人，生俘交警第15总队少将总队长张古良、副总队长陈嵩伟。3月2日，在我军强大攻势下，高密的敌人弃城逃往青岛。3月11日，胶县敌人也仓皇逃窜。此两县城遂被我军解放，我控制了胶济路东段西自坊子东至沽河的二百余华里铁路线。
至此，国民党军的“鲁南会战”计划被彻底粉碎。
整个战役，我军歼灭国民党军第二绥靖区前方指挥所，第46军军部及其新19师，175师，188师、第73军军部及其第15师、77师，193师、第12军新编36师两个团，共56，000余人（其中毙伤1万人，俘虏46，800百余人）；连同阻击部队和地方武装歼敌数字（第96军暂12师一部、第8军103师一部、166师大部、交警15总队全部等），总共7万余人。我伤亡6，500余人。
生俘国民党徐州绥靖公署第二绥区中将副司令官李仙洲以下将级军官二十一名，击毙第73军77师少将师长田君健等将级军官两名。
缴获各种炮457门，轻重机枪2，056挺，长短枪16，168枝，各种炮弹26，258发，各种枪弹291万余，发战马1，027匹，汽车56辆，电台29部，电话机290部，铁甲车一列，火车1列……并击落飞机5架，击毁汽车15辆，毁铁桥6座、铁轨140余根。
解放了新泰、莱芜。博山、淄川、长山、邹平、章丘、临淄、益都、掖县、昌邑、高密、胶县13座县城及张店。周村等重要市镇数十处。我控制了胶济铁路500华里。
莱芜战役的胜利，打乱了国民党军的军事部署，迫使其暂时采取守势。我华东野战军为粉碎敌人新的进攻，趁此有利时机，于1947年3月上旬，在以淄川为中心的胶济路两侧地区进行了全军大休整。3月8日，粟裕副司令员在大矿地（淄川东南）高干会议上总结了莱芜战役，全体军民热烈欢庆莱芜战役的重大胜利。
人民参战支前
在莱芜战役中，山东解放区，尤其是鲁中区广大军民，在各级党和政府的领导下，全力支援我军作战，为战役的胜利做出了很大贡献。
华东局在战役前，认真分析研究了支前工作，认为，此次战役，是敌我双方在华东地区的一场大战，其胜败与否将影响整个华东以至全国的战局，务必动员全体党政军民，从思想上、组织上，物资上做好充分准备，全力支援这次战役。为此，华东局大力加强领导，采取积极措施，做好支援前线的工作。
首先，广泛深入地进行战争动员。1月30日和2月8日，华东局两次发出关于动员全体军民，全力支援前线，争取战後胜利的指示，要求各级党政机关必须把支前工作当作中心任务，提出“一切为了战争，一切为了战争的胜利”的口号，号召人民群众为了保卫自己的土地和家乡，与进犯敌军英勇战斗，鼓励党、政、军、群积极开展“立功运动”。
华东局的指示下达后，各区党委、地委以及县委，于2月上、中旬也相继发出了战争动员指示，结合本地区的实际向人民进行动员。山东省各救会、鲁中青联、妇联也分别向其会员发出了支援前线的紧急号召，要求所有会员踊跃参加子弟兵团，常备民工队，积极支援前线，山东解放区的广大党员，干部和群众，热烈响应，以实际行动参战支前。2月中旬，各地即有1000余名干部奔赴支前第一线。渤海区的党、政、军领导机关和民兵，分别致电华野前委和前线全体指战员，决心集中所有人力、物力、财力支援前线，配合主力共歼进犯的国民党军，鲁中区很快完成了15万民兵的作战编制，随时待命奔赴前线。鲁南，胶东等区也都做好了备战工作。解放区广大人民群众，争相出夫，决心为支前出力，为保卫解放区立功，整个解放区掀起了轰轰烈烈的参战支前热潮。
其次，健全领导机构，改进和加强支前工作。1月30日，华东局和山东省政府重组了山东省支前委员会，任命华东局委员，省府秘书长郭子化为主任，刘瑞龙、梁竹航，冯平为副主任，授权支前委员会统一领导全省的支前工作。2月14日，华东局发出了《关于加强支前工作的指示》，对支前工作的领导、民夫的组织动员和教育管理等都提出了具体要求。15日，华东局又作出决定，扩大省支前委员会组织机构，增设政治部、人力动员部，民站运输部、人民武装部和秘书处，统一调度全省人力、物力、财力支援前线。此外，为及时调拨民工、粮食，物资，还设立了前方办事处，随军行动。
遵照华东局的指示，山东解放区的各级党组织和政府普遍改组加强了各级支前组织机构，委派党政主要干部领导支前工作，每个区、乡、村也都成立了支前组织，自上而下地建立起一个强有力的支前组织系统。在此基础上，华野司令部、山东省政府、山东省支前委员会于2月上、中旬又先后对人力使用、粮食调拨和支付等，作出具体规定：要求在民工行进沿途设立民站，解决民夫的食宿和医药等问题；决定将常备担架和民工配属到纵队、师，伤员转运站等单位，并据情规定了具体数目；同时进一步健全民工制度，明确民工的服务期限和政治生活待遇；还提出要加强对民工的领导，实行民工普遍轮训，进行政治教育，开展立功运动等。以上这些措施，有效地加强和巩固了民工队伍，调动了人民支前的积极性，为更好地支援这次战役做好充分准备。