次日清晨，敌人重炮向我阵地排击，炮火不分点，浓烟烈火将我阵地全部包围。孙同盛命令第一、第三营注意隐蔽，千方百计避免减员，准备晚上再攻。并决定第一营主攻，第三营配合。富有作战经验的一营营长董万华，在第三营攻击时，即带领连长们进至前沿观察敌人部署；当接到主攻任务后，又带领主攻连二连连长苏海、指导员王天德及班排干部，进一步侦察了敌人集团堡，选择了进攻路线；并吸取第三营教训，决定采用单人爆破、小组突击战术对付集团堡。午夜时分，第一、第三两营同时从左右两侧发起进攻。一营首先压制住敌人火力目标，紧接着爆破手单个隐蔽出击。第二连第一排一个战士首先炸毁一座母堡，第二排乘胜连续摧毁另外几座集团堡。从左侧攻击的第三营也爆破成功。集团堡连连被炸毁，敌人开始慌乱起来，我军乘机攻上山顶，将残敌分割聚歼。
我军攻占高庄西山后，董万华命令部队作好准备，迎击敌人反扑。接着，又拿起电话向团长报告情况，请求支援对敌人的反击。这时，突然接连飞来几颗子弹，穿过他的左胸，打断3条肋骨，倒了下去……
第七十三团胜利攻占高庄西山，但进攻高庄西北丘岭的师特务营却未能成功。由于敌人将阵地前的谷子全部割掉，地堡前空荡荡的无一点隐蔽物，敌占据地堡居高临下死命阻击，我军火力压不住敌人，虽发起数次爆破和攻击，均被敌人反击下来，众多战士被*伤在山坡上、梯田里。
由北路攻进的第九纵第二十七师第八十一团，于7月19日从三岔店、车场、土门、菜园、彩班峪一带，直扑南麻北部制高点历山。历山南面脚下就是南麻，工事构筑特别复杂坚固，四周山头皆筑有工事，山顶东、南部各有一座大暗堡，山坡、路口设有子母堡群。守敌是第一一八旅第五十四团第三营。
当晚6时，第八十一团乘敌不备从北侧发起攻击，守敌见我军攻势迅猛即使用毒气手榴弹阻击，我军遭到重大伤亡。经一夜激战全歼守敌，占领历山。次日上午，敌4架野马式轰炸机往返俯冲轰炸，随着凄厉刺耳的尖啸声，一串串炸弹在山头炸裂。许多战士负伤后坚持不下火线。他们只有一个念头:把自己保存住，把敌人*下去！敌人炮火一停，两个营敌人从三面合围上来。为了高度发挥火力，我军将敌人放到三四十米内，集中机枪火力成群地消灭敌人，手榴弹也凌空而至。我指挥员还指令特等射手专打敌人军官。一个军官被击毙，敌群里又冒出新的指挥官，这时子弹像长了眼睛似的又飞到他头上。敌军官不断被打死，冲锋队伍开始混乱起来。敌人几次冲击未成，恼羞成怒，集结兵力开始集团冲锋。因敌众我寡，敌人冲上山顶，我军战士挺起刺刀冲进敌群肉搏。有的战士身中数刀坚持不倒，用双手狠掐敌人脖子；腿部负重伤的战士无力站起，就等敌人冲到身旁时拉响手榴弹，与敌人同归于尽。激烈的争夺战形成拉锯式，得而复失，失而复得，敌我尸体相叠，谁也无法固守。最后因敌火力猛烈，八十一团伤亡重大，遂撤到西鱼台休整，撤离时情况紧急，有30多具遗体未能抢运下来。
这时，西北麻的敌师部特务营100余人跟踪追击，我军隔螳螂河阻击，将大部敌人击毙于河中。敌人不死心，集中全营兵力，四五架飞机及猛烈炮火支援下继续攻击。炮弹、炸弹漫山爆炸，弹片、碎石四处飞舞，我军来不及构筑工事，就在毫无遮掩的石头山上奋勇抗击。当四五百名使用冲锋枪的敌人拥到河岸时，我配置在阵地前沿的机枪连率先开火，老机枪手九班长连续射出千余发子弹。被毙伤的350余名敌人，随即被滚滚沂水卷走。残敌见无法攻进，即退向东北麻北坡，旋即被我在北大岩的部队全歼。
连冒山与南麻隔河相望，是南麻南面的重要屏障。此山虽不很高，但地形险要，三面是陡坡，北面紧靠沂河。守敌为一个加强营敌人为了固守这个重要阵地，抓来大批民夫抢修工事。周围十几个村庄及山坡、河边的树木被伐光，家家户户的门板、箱柜、床等所有木器家具被抢光，连个板凳也不给留下，还拆除了部分民房。山头完全堡垒化，山半腰插满鹿寨，鹿寨往上是密密麻麻的铁丝网，再往上是绕山一周的围墙。围墙里地堡、暗道纵横相连。工事依借山势地形下挖1米多深，周围用石块、沙袋加高，上面用木料、门板掩盖，再用土石厚厚地封起顶来。坡势稍缓的正南、东南部是敌守卫重点，各建一座大母堡。
进攻南麻城，必须首先拔掉这颗钉子。第六纵第十八师一个团于7月18日攻克西白峪村北的中马头崮后，进抵齐家屋、马王峪、樊子峪、古泉、贾家庄、南刘家庄，准备攻击连冒山。19日黄昏战斗打响。第一、第三营突击队刚冲到山腰，即遭到敌人密集火力压制。急雨似的排子手榴弹在队列里爆炸，一排排六O炮、重迫击炮泻向我军阵地，伯伦机枪、汤姆式呼呼像刮风，一时山头周围火花迸射，铁片山石蹦跳。加上狂风骤起，飞沙走石，打得人们睁不开眼，看不清路，经一夜拼*，因我军火力压制不住敌人，无法靠近山顶围墙，攻击失利。天亮后，敌人两个连在飞机、大炮掩护下，向我连续反击，均被我打回。
7月20日下午4时，第一、第三营发起第二次攻击。兄弟部队配合进攻，调刚刚缴获的两门重炮参战，一时找不到炮手，即在俘虏里找了4名。俘虏不打山顶，专打攻到山腰的我突击部队。我军指挥员怒不可遏，当即枪毙一名，其他俘虏老老实实地移动标尺向山顶轰击。经反复拼*仍未攻上山顶许多指战员牺牲。
我军于7月21日黄昏发起第四次攻击。敌人倚仗悬崖峭壁及碉堡殊死顽抗，经数次拼*，我军终于冲进围墙，抵近东南大母堡。我军再次集中火力掩护爆破组爆破，爆破手几次将炸药送到大母堡前，但大雨如注，炸药拉不着火，敌人更加疯狂，一阵猛扫，战士们纷纷牺牲在泥泞中。这时我军阵地上又飞出一名爆破手，为了不使炸药淋湿，他弯腰护住炸药，迅速靠上大母堡，只听震天一声巨响，大母堡被炸塌一半，敌轻重机枪顿时成了哑巴。指战员呼喊着拥进敌人阵地，打退敌人三次反扑，继而将残敌全部歼灭。经4天血战，我军终于攻占连冒山，打开北进道路此战共歼敌200余人，其中击毙一连长。
南线第六纵及第七纵一部，冒着滂沱大雨，向沂河岸边攻进，准备强渡东西横贯的沂河进攻南麻。第六纵第十八师攻击河南岸山上敌人据点，守敌一个营以火焰喷射器阻击突击部队，我军虽经猛烈冲*，但未能拿下山头，遭到重大伤亡。第七纵第五十七团用绳索牵引强渡沂河，但沂河水深及胸，浪大流急，绳索被浪头冲断，大部人马被洪水卷走。
第六纵第十七师第五十一团在彭团长、张政委率领下，于7月18日从南麻东北方向，跋山涉水绕到南麻正南，连夜翻过险峻的燕崖南山，于19日凌晨2时抵达沂河南岸南刘家庄，并强渡1公里宽的沂河。敌人发现他们的行动后，从南岸东西两面及对岸以优势火力拦击，第十八师未攻克的南岸山头据点之敌，也以火力跟踪追击，加上敌机轰炸，使该团处于敌东西南北及空中五面火力夹击之下。第一、第二营在第三营掩护下，冒着敌密集炮火奋勇渡过沂河，击退北岸滩头敌军，攻占北刘家庄山岭制高点，尔后向周围扩展，控制了1里纵深、1里半宽的阵地切断了敌南麻师部与高庄第十八旅旅部的联系。
北岸敌军见势不妙，趁我立足未稳迅速组织反击。数倍于我的敌人在十几架飞机、几十门重炮掩护下，向我发起集团冲锋。我两营兵力一边掩护第三营渡河，一边与敌短兵相接，展开白刃战。第一营第一连连长、原新四军第七师的一名战斗英雄张家福中弹牺牲，一排排长立即代理连长职务指挥战斗，负伤后，二排排长又挺身而出率领大家拼*，一连干部全部伤亡后，副营长何玉石亲自指挥一连作战。三班班长被炮弹震昏醒来后，战士们问他怎样，他坚定地说:“一定要完成任务！”
第二连打垮敌人数次冲击后，连长立即给营长写纸条，表示:“决心与阵地共存亡，请首长放心！”第三营以手榴弹与敌人对战，第八连一战士和第七连一小战士，连续投弹60枚以上。彭张团指战员齐心协力，以一当十，与敌往返厮*，敌人成群地倒在阵地前。血战从清晨一直持续到下午，我军打垮敌人12次冲锋，守住岸北阵地，敌遗尸500余具，我军也有400余人伤亡。涉水向前线送饭的炊事员多半牺牲在河中。牺牲的连级干部除张家福外，知道名字的还有第六连指导员吴亚西。
团抢救队不顾敌火力封锁，往返数十次向南岸运送伤员，团首长亲自组织驮马转运。一名刚由国民党俘虏参军的负伤战士，骑上刘副团长让给他的战马时，感动地说:“只有共产党才不会丢掉我们！
彭张团虽然打得英勇顽强，但由于友邻部队均未打过沂河，特种兵纵队榴弹炮团因山陡路滑拉不过燕崖南山，无法掩护过河部队，我军伤亡重大，为保存战斗力量，第六纵司令员王必成命令：第五十团掩护第五十一团撤回南岸，待机攻击。但敌我双方胶着一团，火力炽烈，白天无法回撤，只好坚持到天黑撤退。入夜后，该团就地掩埋了牺牲的烈士，抢运出伤员，由鲁中军区400副担架转运到后方医院。部队撤出后，忽然卫生队又向团部报告说，南刘家庄阵地上还有十几名伤员，团政治部主任丁继哲即令组织股副股长陈怀民，带领疲劳至极的担架队员，将伤员全部抢运下来。
战后，我军《火线报》华东局机关报《大众日报》均载文表彰了彭张团浴血沂河边、坚守阵地的英雄事迹。
由东、东北方向攻击的第二纵，于19日奉命全纵投入作战，纵队不再留预备队，特纵野炮团配合第二纵作战。于是第四师参战，第六师复调沂河以北。这样，第二纵形成对南麻以东及东北阵地的攻击态势。第五师在第四师、野炮团一部配合下，攻击吴家官庄及其附近的大小据点；第六师在野炮团主力协同下攻击二郎山（石钱山）。下午4时，第二纵冒雨炮击。5时许配合第六、第九纵发起全线猛攻。第四师以一部代价占领预定攻击点，第五、第六两师因采取集团攻击方法，攻击部队陷入敌人火网，伤亡甚大，攻击均告失利。
攻击吴家官庄，必须首先解决该村东北角的大、小山守敌。第五师第十五团第一营攻击该点，突破鹿寨外围抵抗线后，有人误报说已占领小山，该团即令第三营攻击大山，结果遭到大、小山之敌交叉火力夹击。师首长旋即增调第十三团第三营攻击，也未奏效，因部队过于拥挤，致使伤亡很大。20日，南麻敌约两个营在历山瞰射火力掩护下，夹击第十二团阵地，我军英勇抗击，经连续10多次冲*，终于将敌击退，与敌形成对峙，敌我伤亡均重。当晚，纵队仍贯彻原定决心以第十一、第十三两团会攻吴家官庄及东北方向大小据点，除第十一团占领一处工事外，余均失败。
第六师第十八团经河北庄，第十七团经儒林集攻击二郎山，激战一夜，因协同不好，队形过于密集，攻击未成功。第十八团因伤亡较大撤下整理。20日，第十六、第十七团再次攻击。第十六团驱逐河北庄警戒之敌后进击，因侧翼警戒疏忽，第二营遭敌侧后反击，伤亡甚大，团部即以第一营向敌攻击，将敌*伤大部，俘虏一部；第十七团由东及东北方向攻击，仅占领前沿据点，因伤亡较大，与敌形成对峙。
胡琏见战斗一开始就异常激烈，周围阵地不断被突破，认为如果继续打下去，必定与孟良崮上的整编第七十四师张灵甫一样被解放军吃掉。于是，急忙向蒋介石发报，请求速命周围部队增援。
蒋介石得知我军进攻整编第十一师消息后十分高兴。他认为陈毅、粟裕中了他的反包围计谋。于是令整编第二十五师由东里店，整编第六十四师由五里沟，整编第九师由沂水，整编第七十五师由新泰，整编第五师由莱芜，迅速向南麻攻进，对我军4个纵队实施反包围；同时命令在潍县的整编第八师星夜赶往临朐，截断我军向东北方向的退路。蒋介石的命令极为严厉，说整编第十一师如被共军消灭，将按连坐法严惩不贷。飞机投下的蒋给整编第九师师长王凌云的手令说:“这次战争胜败，关系极为重要，你师务须不顾一切赶到南麻，以解整编第十一师之围，假使动作迟缓，整编第十一师被共军消灭，即*你的头！”蒋还严令在孟良崮战役中因救援张灵甫不力而受撤职留任、以观后效处分的整编第二十五师师长黄百韬，应“戴罪立功”。除此以外，蒋又以金元券引诱部下为他卖命。说要以重金奖赏首先打到南麻看到胡师的部队。据此，敌各路援军逐级传令，谁攻占解放军一座山头，即得奖金多少。蒋介石的这两手果真见效，敌6个整编师（军）迅即部署对我军的围攻。
黄百韬命令归其指挥的整编第六十四师第一三一、第一五六旅，由东里店附近十字峪进至牛心崮、南马头崮以南，攻击南马头崮以西至于家崮一线，第一五九旅由大张庄北攻，占领门子顶、寨山掩护师左侧的安全；整编第二十五师攻击南马头崮及东至莲花山一线，重点攻击南马头崮。整编第九师除留第七十六旅第二三八团守卫沂水城外，其余倾巢出动，沿东里店、石桥北攻。我第七纵及渤海军区3个团从东里店以北地区，由东向西揳入，在牛心崮、于家崮、南马头崮、牛栏、莲花山一线设下阻援阵地，顽强阻击敌军进攻。
第一三一旅第三九一团于7月18日黄昏占领牛心崮，第一五六旅占领牛心崮以西、南马头崮以南高地。我军为夺占阻敌北犯的要点牛心崮，于当晚发起攻击，敌倚仗有利地形顽抗，激战竟夜，我军伤亡三四百人未能攻下。19日晨，雨稠雾浓，我第七纵第十九师集结优势兵力，趁敌立足未稳，向崮顶守敌两个排再次发起强攻。担任主攻任务的第七、第八两连，在密集火力掩护下，搭人梯攀崖越壁抵近山腰。总攻信号发出后，第八连突击排长黄世荣率领全排，翻过丈余高的石崖，向崮顶投掷排子手榴弹，炸死炸伤敌人多人。拼*中，黄排长被飞石击伤，但仍率两个班攻上崮顶，将敌压缩至东北角。在离敌人仅有20余米时，我战士徐政抢先跃上丈余高石墙，以冲锋枪横扫敌人。七连排长陶国福攀上石崖远距离投中10余枚手榴弹，炸得敌人四处逃窜。战斗中，我小炮排的六○炮密切配合突击部队作战，在前胡柴山战斗中大显神威的郝学全、刘坤山、吴四秀，及立过大功的开先胜、福贵春、杨天成等，以精湛的射击技术，发炮46发，命中37发，敌人伤亡惨重，被迫向东南方向突围，被我七连全部消灭。敌排长李力奋被当场击毙，另一排长李建中等73人被生擒。
我军夺占牛心崮后，敌整编第六十四师以第一三一、第一五六两旅兵力轮番向我猛扑。我军一个团在兄弟部队协助下，顽强抗击敌16次集团性冲锋，毙伤敌200余人，坚守住阵地。血战中，涌现出无数的英雄集体和功臣模范。
成群的敌人拥向牛心崮大寨子东南角我第四连第二班阵地，该班英勇反击，打退敌人6次冲击，坚守阵地到傍晚。在战斗最激烈之时，已两次负伤的班长刘永年，端着机枪站在围墙上，一气扫出4梭子弹。最后，气急败坏的敌人以排炮向二班阵地轰击，刘永年不幸又被炸伤腿部。在无法行动的情况下他仍鼓励大家坚守山头，后因流血过多牺牲，时年26岁。刘永年，四川省安岳人。出身贫苦，14岁即随父给人家挑东西挣饭吃。长大成人后，曾4次被军阀抓壮丁，均经卖田赎回或开小差逃回，1945年又被国民党第七十七军抓去。1946年在鲁南运河边刘汪战斗中被我解放参军，从此开始了新的人生。在革命阵营的熏陶下，他作战勇敢，屡立战功，成长为一名坚强的共产主义战士。
涟水战役中被炮弹炸伤后，仍坚持战斗击毙敌人一个机枪组，并跟随营长夺回阵地；莱芜战役中，他只身俘敌40多人，缴获一批新式武器。南麻战役后，团部追赠其为甲等战斗英雄并追授特等功，他所率领的二班被命名为“刘永年班”。
苏中战役中参军的解放战士王国标，已40多岁了，他在蒋军中混了20多年，始终未跳出“丘八”的圈子。在诉苦运动中，他倒出了多年遭欺凌的苦水，决心向反动派复仇。牛心崮战斗的第二天早晨，三四个敌人试探性地攻上王国标连守卫的右翼阵地，王国标隐蔽在工事里一动也不动，敌人见无动静，接着陆续冲上来一个排。王国标见时机已到，将丹麦式重机枪摆好位置，测好距离，看准目标水平线，一个连射即将十五六个敌人打倒在地。在同志们的喝彩声中，他又连续发出几个点射，敌军这个排大部被毙伤，侥幸活着的来不及跑，连滚加爬地退下山去。敌人后续两个排见前锋吃了亏，即以疏散队形向上攻，王国标和他的战友们又以手榴弹将敌人打了回去。当日11时，敌人向我阻击阵地发起全线进攻。一个敌军指挥官威逼着士兵向上冲，王国标一个点射就将敌军官击毙。敌军见指挥官被打死，加上我友邻部队反攻，再次退下山去。傍晚时分，敌人突破我右翼阵地，我守卫部队暂时撤离。王国标与另一名马克沁机枪射手隐蔽在避弹壕里，将攻上山头的敌人全部打倒，并将冲到山头下的敌军压住，使我军赢得时间重新集中兵力、火力，将山头夺回。
敌人于7月20日下午从青龙山和东崮向牛心崮主阵地迂回上来，我军暂时奉命后撤。某团射击英雄、机炮三连二排排长张治安，奉命代理一连排长整理后撤部队，组织反击。冲上山头的六七个敌人尚未站稳脚，即被他们打下山去。当接防的我军某连第二次退下山头后，张治安排又发起第二次反击。张排长端着冲锋枪一马当先扑上山顶，向敌群猛扫，接着与战友们一起，用排子手榴弹将敌人击退，夺回阵地。敌人发起第三次冲锋时，他们的弹药基本打光了。张治安高喊着:“有人在，就有阵地在！”率领战友们扑向敌人，以肉搏战将敌人压下山去。激战中张治安腿部中弹负伤。因他率部数次反击成功，并坚守住阵地，战后被评为特等功臣。
经一天半拉锯战，牛心崮阵地周围堆集下近两千具敌尸，山石、土坡一片血红，我守备部队也遭到重大伤亡，但阵地屹立不动，仍牢牢地控制在我军手里。
当敌军发起最后一次冲锋时，其士兵被漫山遍野的尸体吓破了胆，只听拼命叫喊:“冲呀！冲呀！”但不见一个人爬起来进攻。敌军官在后边用枪支威逼，其士兵便从一隐蔽地爬到另一隐蔽地。敌军官无奈，只好用金线收买敢死队冲击。我军指挥员高喊:“集中火力，坚决把敌人打下去！”冲锋枪、机关枪射手们端枪俯身向下猛打；某班连发排枪30次，射击次序井然有序；机炮三连张治安排放下小炮、重机枪，以排子手榴弹轰炸敌人密集队形；侦察队副队长李训足的驳壳枪木盖被炮弹炸飞，军装也被穿上7个洞；二营战士董怀祥三次负伤后不下火线，仍在阵地上拼*。正在激烈厮*之际，我军弹药打光，战士们纷纷将石块掀下崮顶，石块飞滚而下，砸死砸伤敌人无数，慌不择路的敌人，竟从丈余高的山崖上滚下。
整编第六十四师第一三一旅于20日拂晓除留一个营守卫韩旺崮、凤凰崮、龙王崮外，主力向胡庄、河东攻击；第一五六旅向柳树峪、胡庄、于家崮、南马头崮攻击；第一五九旅以一部进击门子顶，掩护师主力左侧。
敌第一三一旅于9时许占领胡庄，接着向胡庄北侧高地攻击。敌一个多营在密集炮火掩护下，猫腰持枪冲上山来。我八连副连长朱世友带1个排从正面，九连副连长带1个排从左前方，三排从侧后勇猛扑向敌军。六连也从山下开始反击。一阵激战后，敌人首尾不能相顾，狼狈滚下山去。敌人强攻不成，于黄昏后偷偷摸向山来。九连连长杨维山说:“敌人上来了，狠狠打！”他一气摔出13颗手榴弹。在我山上山下夹击下，敌人再次败退下去。21日拂晓，敌人发起第三次冲锋，山炮、六O炮、迫击炮一齐泻向山顶，炮火刚刚停歇，敌人5个轻装加强连即拥向20米的山顶。敌众我寡，我军暂时退出第一线阵地。随即，我1个连从正面，1个连从左侧，以集束手榴弹向敌发起反击，经25分钟血战，敌人留下三四百具尸体再次退下山去。
胡庄北山阻击战中，我第八连李焕福班以疏散队形，巧妙利用地形地物，在敌人猛烈炮火袭击下完成阻击任务，自己无一伤亡该班除正副班长外，还有3名解放战士和3名初次参加战斗的新战士。班长李焕福带领全班迅速做工事，并嘱咐战士们:“不要藏起不动，也不要探出身体来，好好观察敌人，上来就打！”敌人突破前沿阵地后，班长立即告诫全班，反击时要避免小集团队形，每人间隔六七步。敌军以5个连进攻时，李焕福带领大家转战山头，猛拼手榴弹。该连一副班长大摇大摆立起装子弹、射击，被敌击中牺牲。李焕福及时进行实例教育，传令:“步枪子弹打完后，向后退一步跪着装子弹，避免不必要的伤亡。”在两小时的激战中，他们击退当面之敌，而自己毫无伤亡，创造了“保护自己消灭敌人”的模范战例。
中午时分，整编第二十五师超越整编第六十四师第一五六旅第一线，向我750高地猛攻，敌第一五六旅移兵进攻于家崮及崮东侧柳树峪。14时，柳树峪被敌攻占，但于家崮仍岿然不动。敌人久攻于家崮不下，急坏了整编第二十五师师长黄百韬，他命令整编第六十四师师长黄国梁，要不惜一切代价拿下于家固，并直接电示第一五六旅旅长刘镇相，如不按时攻克山崮，将以军法论处。
刘镇相以第四六八团第三营轻装迂回于家崮、南马头固之间，威胁我于家崮侧面。双方激战至21时，敌人攻占于家崮。7月21日凌晨3时许，我军发起反击，攻歼山顶守敌大部，夺回阵地。拂晓后，敌军在全旅炮火掩护下，向我发起集团冲击，我军居高临下，以手榴弹排击敌人。但敌人越来越多，且遭到由于家崮、南马头崮之间鞍部钻隙而进的敌军一个营的威胁，我军主动收缩防线，放弃于家崮转移到南马家崮。敌第一五六旅旅部及第四六八团进占于家崮，第四六六团进占南马头崮以西的鞍部，与我南马头崮守军对峙。
整编第六十四师第一五六旅虽然攻占于家崮，但进攻于家崮以西牛栏的第一三一旅和进攻于家崮北面南马头崮的整编第二十五师，在我军英勇反击下，激战两日，毫无进展，且遭到我大量*伤。国民党统帅郭命令整编第二十五、第六十四两师，要不惜一切代价于7月22日攻到南麻。因整编第二十五师伤亡惨重，黄百韬限令整编第六十四师派一个旅向南麻插进，说不管南麻胡琏部是否被共军吃掉，只要到达南麻即算完成任务。奉命穿隙插进的第一五六旅，于7月22日拂晓进至中马头崮，但我军已于21日夜撤围转移了。
沂水城的整编第九师除以一个团守卫沂水城外，其余部队于7月18日夜向北增援，我地方部队在沿途村庄、山头层层阻击。20日晨该旅攻占东里店，尔后继续向悦庄以南地区进犯。21日下午，我主力部队在悦庄以南顽强抗击，坚决阻其北上。当晚我军转移，整编第九师先头部队侵占悦庄。
南麻之敌情况，胡琏尽管在空军掩护下踞堡顽抗，但从19日起，外围两个旅的弹药消耗将尽，每天空投的弹药不够夜里打两个小时，不但师的预备弹药用完，就是南麻第十一旅的预备弹药也都发光。无奈，胡琏命令第十一旅旅长杨伯涛，将其全旅弹药除留少量外，其余全部补充到第十八、第一一八旅。这天总算熬下来了。20日，胡琏更为焦虑，下令将师直属部队、甚至师司令部传令兵的弹药搜集起来，送往前线，并通知第十八、第一一八旅，按同样方法最大限度地把弹药集中到第一线不仅如此，狡猾的胡琏为争取防守时间，等待即将围攻上来的各路援军，实现蒋介石的反包围计划，令守敌于21日拂晓反守为攻，在密集炮火掩护下，向我军发起反击我军为了巩固既得阵地，准备于当晚组织最后的总攻，一举歼灭整编第十一师，展开了惊天地、泣鬼神的反击战。
在第二纵阵地上，敌凭借优势装备及有利地形，向我发起反击，被我击退。但不幸的是，第五师政委秦贤安在敌机轰炸时不幸负重伤牺牲。因部队缺乏攻击子母堡的经验，突击部队连连失利，伤亡甚重。在这关键时刻，秦贤安与师长姚运良调整部署，鼓舞士气，发动新的攻击。秦贤安已是几天几夜没有合眼了，因极度疲劳昏了过去。姚师长看到他布满血丝的眼睛和消瘦的脸庞，多次劝他到战壕里休息。秦贤安刚到战壕打了个盹，一群敌机袭来，向我阵地投弹轰炸，一时弹石飞，硝烟弥漫。突然，敌机将师指挥所炸塌，秦贤安被埋在战壕里。同志们急忙把他扒出来，他已昏迷不醒，身上伤痕斑斑。同志们守在他身边焦急地呼喊。只见他微微睁开眼睛，看看大家，又昏了过去。当把他抬到救护所时，已经停止了呼吸。
在西线，敌凭借强大炮火掩护分成多路，气焰万丈地向第九纵反扑。第二十五师第七十三团攻占高庄西山集团堡后，团长孙同盛、委鲁泉估计敌人决不会放弃这一要地，指示山上的第一、第三营准备迎击敌人的反击；通知山下所有部队，随时准备支援山顶。同时命令师特务营停止攻击高庄西北丘陵，坚守阵地，准备反击高庄敌人的反扑此时，第一营第二连守卫在山顶集团堡和掩体工事里，第一营其他部队隐蔽在山头右侧，第三营隐蔽在山头左侧。第三营营长王玉芝命令营部*迟浩田，将营部所有人员与第九连剩余战士合并为一个连，由迟浩田率领，守卫在三营阵地最前沿阻击敌人。迟浩田虽然只有18岁，但却是个老兵了这位胶东农民的儿子，在血与火的拼搏中，逐渐成长为一名有勇有谋、战斗经验丰富的优秀基层指挥员。迟浩田接受任务后，把人员编成班排，组织大家搜集弹药，加修工事。并坚定地鼓动大家说:“我们人在阵地在，轻伤决不下火线！要流血，就让我们的血流在一起！”7月21日晨，敌人炮击开始了。南麻城榴炮营和高庄山炮营的炮弹普天盖地泻向高庄西山，霎时，把高庄西山炸成一片火海。紧接着，黑压压的敌人冒着漫天淫雨分多路向山上扑来。敌人一靠近，隐蔽在山头左右两侧的第三营和第一营，即以机枪、手榴弹迎头痛击，敌人死伤累累，不得不溃逃下去。但是，敌人迅即整理部队，又发起疯狂反扑。从早晨到中午，他们一连打退敌人12次冲击，阵地前横七竖八躺满了敌人的尸体，但第一、第三营也伤亡过半。孙同盛见敌人仍没有休战的趋向，预料下午还会有恶战，即告诫部队决不能松懈斗志，一定要坚持到夜晚。
午后，敌人果然又发起猛烈攻击，敌师部及各旅所有炮火覆盖式轰击高庄山头，整个山丘犹如波涛中的小船，颤动、摇曳起来。敌人在6辆坦克配合下蜂拥而上，火焰喷射器率先开火，我阵地前山石、泥地皆冒着白气燃烧。一阵剧烈的搏斗后，敌人以惨重的代价，夺占了第一营第二连守卫的山顶阵地，但一排排长带领一个班仍拼死守住一座母堡，与成群的敌人对峙。守卫在山头左侧的迟浩田连也顽强地坚持着，但战士已经不多了，迟浩田的左肩也钻进一块弹皮。敌人占领大部阵地后，乘势向我剩余阵地猛攻，形势极其危急。在这千钧一发时刻，孙同盛立即组织4个连队，趁敌立足未稳，飞速从山头两侧反击上来。
迟浩田发现我援军从两侧冲了上来，立即决定反击，从侧后夹击敌人。他向战士们作了简短的动员后，高喊一声“冲上去！”随即飞身跃出工事，一只手端着的汤姆式冲锋枪喷出一连串复仇的子弹。战士们紧紧跟在他后面，奋勇冲上山顶。我军趁敌占山顶、炮火稍缓之际，一个短促突击攻上山顶，与敌展开反复拼*。高庄敌人炮兵见我军反上山顶，复将炮火向山顶延伸，密集炮弹在我冲锋队列中爆炸。一发榴弹炮在迟浩田连正中爆炸，随着震天动地一声巨响，迟浩田及七八名战士倒了下去，鲜血从他们身上流出，染红了泥泞的梯田。卫生员侯桂令迅速冲上去逐个进行急救处理。他剪开迟浩田被鲜血染红的军装，一看，除上午左肩上钻进的弹皮外，头上、大腿根部、右小腿又被炸成重伤。右小腿被炸断，骨头露在外面，侯桂令只好先扎上绷带止住血。迟浩田渴得要命，侯桂令急忙端来两钢盔泥水给他喝下。他支撑着想爬起来，但身体好似有千斤重，一动也动不了。他恳求不下火线，但伤势太重必须马上手术，担架员硬是把他上担架。尔后侯桂令又去抢救其他伤员。但他刚走出10多米，又一发炮弹在附近爆炸，刺耳的呼啸声过后，他的头颅被炮弹皮削去，一腔热血冲天喷酒……..
第七十三团经过浴血拼搏，终于以鲜血和生命*退敌人的第十三次反扑，全部夺回高庄西山阵地。在附近不远山头上观察战况的华东*军副司令员粟裕，目睹该团指战员浴血奋战的情景，对第九纵指挥员说:七十三团方向打得很激烈，整编十一师的炮火集中向他们阵地倾泻，七十三团打得英勇顽强！”
21日，敌人集中兵力反击第二十六师第七十七团第三营守卫的无名高地，我军顽强抗击，但敌人越来越多，部分敌人已冲上高地将我包围，阵地即将失守。就在这时，第二梯队第七十六团冲了上来。该团第二营机枪连指导员马景和组织3门六O炮、6挺重机枪，掩护营长刘绍毅率领第六连从侧面反上无名高地，经过几次激烈冲*，终于将敌人歼灭。
我军巩固住在南麻西岭阵地后，刘绍毅又率第六连向南麻城西围墙扑去。当进至离围墙一公里多远的低注处时，突然遭到一隐蔽集团堡阻击。因地势低洼，毫无隐蔽物，我军完全暴露在敌火力网下，如白天强攻，必定付出重大代价。因此，刘营长向上级建议最好晚上攻击，但是团里已接到晚上总攻南麻城的命令，为扫清攻击道路，必须于15时前拿下集团堡。刘营长当即部署强攻，令机枪连从侧翼火力掩护，第四连隐蔽匍匐前进，接近集团堡再行攻击。山坡上一片泥泞，拖不动腿，移不动身，第四连刚刚展开队形，即遭到敌围墙和集团堡火力急袭，行进在最前面的一个排全部牺牲在坡地上，鲜血又染红了这一片土地！性格暴烈的刘营长见状，高喊一声，飞出指挥所，扒掉上衣，就要带领另两个排强攻。就在这时，团参谋长阎川野飞速赶来，命令暂停进攻。下午，第五连接替伤亡重大的第四连继续攻击。他们前仆后继，连续炸毁四五座地堡，该连也大部伤亡，一排仅剩下一名副班长。这个副班长孤军奋战，往来冲突，终于将敌人最后一座地堡炸飞。三营指挥所向前推进，准备当晚向南麻城进攻。
由于连日倾盆大雨，我军没有雨具，终日在泥水中作战，弹药受潮，大部失效，加上攻坚器材不足，在反复拼*争夺中遭到重大伤亡；敌人在优势火力掩护下踞堡顽抗，并反复与我争夺，战斗异常激烈。经3天3夜血战，到7月20 日，西线第九纵攻占北埠东，并一度攻入敌第十八旅旅部驻地高庄；南线第六纵攻克中马头崮、北刘家庄，并一度攻过沂河；东线第二纵攻占沙沟庄、涝坡河，进至吴家官庄外围。我军虽然给敌一定打击和*伤，但仅歼敌1个团的兵力。敌仍盘踞南麻周围高地顽抗，战斗形成僵持状态。而援敌整编第二十五、第六十四师4个旅，猛攻第七纵青泉山至于家崮线阻援阵地，沂水的整编第九师北进至石桥、悦庄，位于大张庄的整编第六十四师第一五九旅也北犯至大桑树。
在这种情况下。为争取主动，陈毅、粟裕、谭震林决定，改变原定部署，不再攻击南麻，结束战役。华野总部在给中共中央军委、*主席的电报说:“对南麻作战，从18日晨开始攻击，经过3天3夜恶战，把包围圈缩小到纵横10里，其主要阵地之高庄、南麻、吴家官庄、石钱山均未攻入，主要是密布之地堡，仅高庄一地即有80余个，经九纵两天两晚攻击，占了50余个。九纵经验较多一些，尚且如此，二纵进展就较少。估计如再攻下去，尚须5天至7天甚至10天，才能完全歼灭敌人。打下1个地堡只能歼灭敌人1个班或两个班。九纵在3天3夜中共歼敌约5个连；六纵约歼敌4个连；二纵更少。敌援兵整编第二十五、第六十四师6个旅，从19日晚开始向七纵阵地攻击，连续10余次，其展开兵力约4个旅，至今上午10时，有两个阵地被突破。因此，如再打下去，时间最多只有两天，否则就必须增加打援兵力。我们手中已无预备队，为了不被迫后撤，决于今晚停止攻击，把部队撤到临朐以南、东南、西南地区休整补充后，再寻机作战。估计顽不敢乘机向前猛进，如其猛进我也可歼其一部。”
我军于21日当晚撤出南麻战役，各纵队分别转移到临朐以南及西南地区整顿。8月中旬，胡琏率部北上博山；9月初，驻鲁村的整编第五师撤走，我鲁中军区及县区地方武装剿灭还乡团，收复沂源县。
南麻战役历时4天5夜，我军攻歼南麻守敌整编第十一师胡琏部5000余人，其中歼灭高庄第十八旅2000余人；歼敌援军整编第二十五、第六十四、第九师4000余人，共计9000余人。我军遭到重大伤亡。在东线进攻战斗中，第二纵第五师政委秦贤安、第六师第十八团副团长胡大炳、第四师政治部组织科科长魏自强等大批指战员牺牲。
