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鲁中军区抓住这一有利的时机，在短时间的准备工作之后，就向山东最大伪军和平建国军第三方面军吴化文部发起攻击，适时发起了第三次讨吴战役。吴化文部是山东最大的一股伪军部队，也是所有伪军部队中战斗力最强的一支伪军部队，是鬼子在山东的一根支柱，如果吴化文部被歼了，鬼子在山东的势力可失半边江山，所以第三次讨吴战役对山东的八路来说尤为重要。
当时吴化文部主要分布在鲁山南麓的鲁村、南麻、悦庄及周围 2000平方公里的地区内，是处于沂山、鲁山、蒙山、泰山各八路军根据地之间，位置比较突出孤立，要想把这几大根据地连成一片，改变山东敌我相持态势，解决吴化文部刻不容缓。但吴化文部也不是怎么好打的，他们在防御设施上，吴伪在此经营五六年，工事坚固，全部控制村落制高点，修筑山寨阵地，围墙高厚，明碉暗堡密布，铁丝网、鹿砦、外壕等附设防御设施纵横相连。但有一点也许他们还没有注意到，虽说工事看起来坚固缜密，却忽略了其由于防御面较大，眉毛胡子一把抓，兵力较分散空隙较多，易为我军突破的这一致命弱点。
山东军区司令部抓住这一弱点，决定以一部兵力从南北西三面展开对吴的攻击，集中主要兵力从东线突入吴伪防区中心，选择最弱点，将其攻破占领，实行中心开花战术，迫使吴伪第一线兵力向内收缩，彻底打乱其战略部署，求得在运动中歼其有生力量。运动战是八路军最能发挥自己的特长，扬长避短避免自己弱点的好战法。战术上突出隐蔽突然，速战速决，一般是选在敌人兵力的收缩移动之时，这样使得八路军的回旋余地大大增大了，在运动中寻找战机歼灭小股敌人的机会也大大增加了，因此，运动战是当时八路军杀敌的最有效战法之一。
根据山东军区司令部的部署，鲁中军区在司令员王建安、政治委员罗舜初指挥下，3月25日，鲁中军区部队，在滨海军区部队一部配合下，乘伪军吴化文部调整部署，鲁中日军收缩（胶济铁路西段的独立混成第七旅团南下，第五十九师团及独立混成第五旅团延伸兵力，接替防务）、吴伪整编、吴化文去了北平、日伪部署混乱的大好时机，就向南麻（今沂源县城）、悦庄、鲁村发起进攻。以鲁中军区第一、第二、第四团，泰山军分区第十团，沂蒙军分区第十一团，沂山军分区第十二团，山东军区配属的滨海军区第六团，共7个主力团和部分地方武装，组成四路梯队，来完成战役作战任务。鲁中军区各县区地方武装、基干民兵编成14个中队，分属各个主力团指挥，担任战场后勤补给、破袭公路、拆除围寨碉堡任务，并在可能情况下直接参战。
这样以来，在鲁中山区就集中了八路军主力部队、地方武装、民兵共两万大军，隐蔽集结于鲁山周围150公里战线上，静静地等候着出击的命令。
三月二十五日二十四时整，一颗红色的信号弹划破沉寂的夜空，发出了全面进攻的命令八路军四路大军共两万多人同时向吴伪阵地发起猛攻，而吴化文部在遭受前两次讨吴战役打击后，兵力只剩万余人，战斗力也大不如以前了。吴部受到如此大规模的打击，吴伪军从睡梦中惊醒，仓皇应战，怎么能抵挡住再有充分准备的八路军各部队的勇猛攻击。
特别是东线左路梯队4个团，像一把尖刀向敌纵深猛插，滨海第六团第一营第三连，以勇猛、顽强的动作冲到大泉东山。大泉东山像螃蟹的一个左钳，拱卫着驻守大泉庄的吴伪“坚固团”（第一七九团），上边防守的是一个机枪连，有重机枪1挺、轻机枪2挺，还有2具掷弹筒；山顶圆形大围寨里有一道地下交通壕，伸到东面的一个地堡，封锁着我军进攻的正面。第三连一枪未发占领地堡，然后排除鹿砦、地雷，靠近围寨。守敌凭借有利地形拼命顽抗，直到拂晓时分战斗仍无进展，第三连遭到很大伤亡。营长命令第二连参加战斗，配合第三连迅速攻占围寨。第二连连长何万祥像历次战斗那样，冲杀在全连战士的前面，当他提着手榴弹冲上炮楼楼梯时，不幸中弹牺牲。英雄连长牺牲，第一营指战员怒发冲冠，呼喊着冲向炮楼，将顽敌全歼。攻占大泉东山后，第一营会同团主力收复大泉庄及附近据点，歼伪第一七九团大部。吴伪军这个自嘘为常胜不败的“坚固团”死伤惨重，残部丢下经营多年，眼下已经残缺不全的防御工事，拼命向西南方向逃窜，第六团战士乘胜追击，终于在牛郎官庄附近将其追上，围而全歼。
第四团更绝，他们以奇袭手段攻占北牛寨，占领东线制高点钻天崮，歼伪第一八二团一部。第二团一部围攻西大崮和附近另一高地，威迫伪第一八一团两个连缴械投降，进而团主力围攻磋石，歼伪第一八一团一部。英勇善战的第一团，以迅猛动作直捣伪第四十九师司令部驻地石楼，并全面围攻石桥、磋石、关河峪之敌，歼灭伪第四十九师司令部一部及第一七八、一八一两团的指挥部，彻底打乱吴部东线指挥机关，使其东线陷入混乱状态，第四团乘胜向吴部纵深发展，赵庄、张良之敌望风而逃，部队逼近悦庄，直接威胁伪总司令部。
至此，吴伪最坚固的东线阵彻底地被突破。八路军东线左路梯队4个团穿插中心开花战略获得成功，吴伪各部大多被分割，首尾难顾，各自失去了联系，慌着一团，他们原来的作战构想全部被打乱。
可以这样说，八路军东线左路梯队穿插行动的成功，为这第三次讨吴战役的胜利，打下了坚实的基础。
在东线左路梯队4个团的穿插获得如此成功的同时，担任战役助攻任务的南、西、北三路梯队也取得重大突破。南线左路梯队穿过敌人外围阵地，突入鲁村以南，攻占上高村、玉皇山及其北部阵地，驻大田庄一带的伪第六军军部及所属部队纷纷西逃。我军直接威胁南麻、鲁村。西路梯队径直插入敌之后背，攻克鲁村以北的董家庄、芦芽店、松仙岭等地，消灭北线守敌伪独立第二旅12个连的兵力，切断由南麻通往博山的补给线，打乱了吴伪西北线的部署。北路梯队于26日攻占临朐至南麻公路上嵩山、茹家庄、暖水河、三岔店等要点，歼伪独立第四旅一部，截断吴伪从临朐到悦庄的补给线。
吴部在鲁中军区受到如此多的八路围歼，驻山东的敌酋第五十九师团长细川中康，已经看出来了山东的八路的战略意图，想这一仗彻底解决吴化文部，细川中康岂能坐视不管，他急忙调兵点将，分多路向鲁中扑来。临沂、枣庄也相继派出援兵，出城不多时，都被胶东独立团的两个营给挡了回去，这些出城增援的鬼子援兵，他们忌惮于胶东独立团的威名，根本就没有交战就又缩了回去。
鲁中各参战部队在战斗进行的极其顺利的情况下，27日，又向吴伪展开新的更强大的攻势。西路梯队围歼水磨头之敌，夺占鲁山主峰，进而居高而下占领芝芳，花林、茨峪、孟坡残敌又望风而逃，这样西路梯队与在璞邱一带作战的北路梯队打通联系。北路梯队进占璞邱，驱逐残敌，直捣吴伪后方。
自3月28日至4月1日，西、北两路梯队乘日伪空隙，相互策应，夹击池上、桥头与临朐一线之敌。28日夜，北路梯队冒雨袭占小峰，围歼东、西池上伪两个团。之后，一部南下袭占青石关、和庄，歼伪暂一旅第四大队；另一部奔袭临朐西南桥头，攻占吴伪兵工厂，歼伪两个团，缴获大量武器弹药及机器设备。西路梯队于4月1日攻袭新泰西磁村，全歼守敌。讨吴胜利的消息传至黄庄，驻防此据点的日军分队长滕田，于4日率部逃往新泰。
自25日至30日，山东八路军部队激战5昼夜，将吴伪四面防线打得稀烂。吴伪军心摇动，无心恋战，都望风而逃窜。八路军各路大军展开追击，最后将吴伪压缩于悦庄、鲁村两地二三十个村子的狭小区域里，吴伪残部已经无处可逃，梦想在这狭小的地区内固守待援。
吴伪溃败，细川中康大惊，远水解不了近渴，各路援军几乎都被各地的八路拖住，为挽救吴伪残部不被八路吃掉，除每日派飞机轮番轰炸八路军阵地外，急令日军第五十四旅团板本大队和独立混成第五旅团长岛大队不失一切代价火速驰援。