集、沙土集之線以北地區集結。
9月3日晚，陳毅、粟裕率野直、第六、第十縱隊渡河，4日渡完，5日在郓城及附近集結并與第一、第三縱隊會合。
至此，華野第一、第三、第四、第六、第八、第十縱隊，特種兵縱隊及晉冀魯豫之第十一縱隊均已集結于沙土集南北地區，完成了集中兵力殲滅敵人的戰役布局。
9月6日晚，指揮部召集了縱隊領導幹部會議，由陳毅主持，他讓大家充分發表意見。
粟裕則反複說明了早打的好處和取勝的條件，強調說：“隻有打，才能有力地配合劉、鄧，才能扭轉現在的被動局面，部隊才能得到補充和休整。
打好了，魯西南根據地就能重建起來。
”經過民主讨論，大家一緻同意首先殲滅敵五十七師。
在華野第一、第三縱隊的誘引下，敵于9月初開始北犯，其部署是：以整編第五師為中央，自劉官屯、龍固集一帶向北攻擊。
整編第五十七師為其左翼，整編第八十四師為其右翼，其餘各部為策應，積極協同配合。
9月5日，整編第五師進至郓城以南之雪家莊、富官屯、王老虎一線。
整編第五十七師之六十旅進至郓城西南賈敬屯、耿家莊、徐家垓一線，該師之一一七旅則位于第六十旅之右側。
敵整編第五十七師原是第九十八軍。
1945年6月，新四軍在浙江天目山舉行第三次反頑作戰時，幾乎将該軍全部殲滅。
此後，該軍調蘇北新（沂）海（州）地區，除原轄之預三、預四師外，又編入遭殲滅後重新整補的第一一七師。
整編為第五十七師後，原轄師改稱旅。
1946年11月，宿北戰役中，預三旅被華野全殲，預四旅改稱六十旅。
現在，全師共轄兩個旅，一萬餘人，武器裝備均為日式，較陳舊。
但在這一段時間的作戰中，該部已經驕狂失慎，貿然與整編第五師拉大了距離。
華野決定：以第八、第三、第六縱隊（欠十七師）擔負攻殲整編第五十七師的任務；以第四、第十、第十一縱隊及第六縱隊第十七師，擔負阻擊敵整編第五師及整編第六十八師的增援任務；以第一縱隊為戰役預備隊。
9月7日，敵整編第五十七師頻繁北犯，與整編第五師之間出現了20公裡的空隙。
華野立即抓住時機，發起攻擊，令第一、第三、第六縱隊向沙土集、雙廟攻擊前進，令第四、第八縱隊由南向北發起攻擊，實施南北夾擊。
敵整編第五十七師發現華野這一行動後，迅速向南撤退，龜縮于沙土集。
沙土集是菏（澤）巨（野）公路上的一個村落，東西長2公裡半，南北僅1裡許，周圍築有土牆，牆外有壕，北面有一片沙地，因地勢較高，壕中無水。
壕外有鹿砦兩道，并有地堡，可與圍牆上火力配合。
莊内亦築有地堡、掩體，以備巷戰。
敵五十七師以一個團分散守在外圍村莊，其餘全部麇集于沙土集村内。
當夜，戰鬥打響後，三縱以八師及七師二十團負責主攻沙土集及殲滅精良寺、馬莊之敵，以九師布防黃鎮集地區，打擊可能由菏澤來援之敵。
七師二十四團襲占馬莊，全殲守敵，次日上午乘勝攻下精良寺，又殲敵一個加強連。
八縱二十二師六十四團向段莊、雙廟之敵進攻。
六十四團乘敵立足未穩，向徐莊猛攻，一舉突入莊内，全殲該敵。
六縱十六、十八兩師在八縱司令員王建安統一指揮下，直接參與圍殲沙土集敵人的戰鬥；十七師歸十縱隊，由司令員宋時輪指揮，進抵單家海、丁裡長、魏家樓一線，阻敵北犯，确保郓城安全。
9月8日下午，十六師、十八師經日夜急行軍，進至沙土集西北谷樓、宋墳、李樓、小屯地區集結，作好臨戰準備。
擔負阻擊任務的四縱、十縱及晉冀魯豫野戰軍十一縱，亦快速進抵指定地域。
四縱在龍固集、李集、柳林集地區構築工事，嚴陣以待，分割了敵五十七師與五師的聯系，使五師不敢貿然西援。
十縱和六縱十七師在宋時輪指揮下，全力控制郓城及其東南、西南地區。
二十八師布防于郓城西南馬家屯、梁家店、化家營地區；二十九師以一部控制郓城，其主力部署于蘇家店、陳家集、大廠、解家窪一帶；十七師進入單家海、餘裡河及其以東地區駐防。
8日至9日，敵五師四十五旅、二零零旅自丁裡長、單家海一線北犯，向華野二十九師、十七師陣地猛烈攻擊。
華野八十五團于大廠、八十六團于解家窪及大廠以北陣地頑強抵禦，擊退敵人多次沖擊，牢牢守住陣地。
敵五十七師師長段霖茂沒想到華野如此迅速将其包圍，在指揮所裡暴跳如雷，責罵手下軍官指揮戰鬥不力。
9月8日下午，在王家樓指揮所，陳毅、粟裕下達了聚殲退守沙土集之敵的命令。
18時許，三顆紅色信号彈劃破灰暗的天空，沙土集被華野的猛烈炮火炸得煙塵翻滾，許多敵人被撕成碎片，碉堡、房舍的磚瓦被掀上了天空。
華野指戰員們似潮水從四面擁向沙土集。
9時10分，暗示攻擊開始的白色信号彈的亮光還沒有熄滅，村北門就傳來了悶雷一樣的爆炸聲。
突擊隊僅用3分鐘時間就撕開了突破口，接着，二營、三營都沖了進去。
二十四團及二十團相機突進。
守敵來不及抵抗，大都成了俘虜。
八縱二十三師六十七團向東門勇猛沖擊，于9日1時突入村内，與守敵展開巷戰。
該縱二十二師六十五、六十六團各一個營亦由東門攻入村内，協同六十七團向敵猛攻。
二十師六十八團繼續在莊外戰鬥，殲滅了據守魏莊的敵人。
由于三縱、八縱的迅猛攻擊，迫使敵人狼狽潰退，妄圖從西門突圍。
正在西門準備攻擊的華野六縱十六、十八兩師發現守敵外突，即以五十二團快速出擊，迅速殲滅突圍之敵先頭部隊，并趁勢攻入西門。
五十三團亦迅速投入戰鬥，協同五十二團分路向東猛攻，并以一個營向北進攻，接應十六師部隊。
這個小小的沙土集村子像一口開了的鍋，槍聲、喊聲從四面八方向外擴張着。
突破口上擁擠不堪，戰士們押着成隊的俘虜走向村外。
俘虜們也被全副“武裝”起來，他們擡着重機槍、迫擊炮，背着卸掉槍栓的長槍，走下戰場。
行列裡還夾着十幾匹高大的洋馬，使隊列更加熱鬧壯觀。
9月9日淩晨，沙土集戰役結束，華野全殲敵五十七師1萬餘人，其中俘敵中将師長段霖茂、少将旅長羅覺元及以下官兵7500餘人。
郓城沙土集戰役的勝利，對于整個南線戰局的發展有極大意義。
中央獲悉，緻電華野并向西兵團全軍将士緻電慰問。