這樣，國民黨軍雖然侵占了膠東十餘座城鎮，但兵力被迫分散了。
東線兵團決心趁敵分兵輕進的有利時機，發起膠河戰役，殲國民黨軍整編第六十四師于膠河西岸的飲馬鎮地區，以調動進犯膠東内地的國民黨軍回援，減輕其對膠東腹地的破壞。
10月2日，敵六十四師主力竄至膠河東岸範家集、流河一帶。
其先頭部隊剛進至飲馬地區時，我二縱、九縱一線設伏部隊誤判敵主力已到飲馬地區，即令全線出擊，猛撲猛打。
敵六十四師主力見東線兵團來勢兇猛，遂加緊收縮于三戶山、郭村、範家集、林家莊地區，組織固守。
3日，九縱兩個師會攻流河，迫敵東逃。
二縱六師一部東渡膠河，搶占明家店渡口。
九縱七十三、七十五團攻擊郭村，七十六、七十七團攻擊範家集，未克。
二縱五、七師遭敵火力反擊，傷亡過大，于拂曉前撤出戰鬥。
與此同時，敵九師拼命向敵六十四師靠攏，膠河初戰打成了僵局。
面對此景，許世友經過冷靜的分析研究，決定首先集中兵力奪取三戶山。
4日晚，擔負主攻任務的九縱二十五師、二縱六師從東、南、北三個方向發起攻擊。
不久，三戶山即被攻克。
随即，九縱、二縱乘勝攻擊，殲敵兩個團，并将敵主力包圍于範家集地區。
範漢傑沒想到我軍如此厲害地殺了個“回馬槍”，連續挨打的敵六十四師師長黃國梁的不斷呼救，讓範漢傑意識到問題的嚴重性，于是不得不暫停對膠東内線的全面“清剿”，抽調援軍分東、西、南三路援救六十四師。
鑒于敵援軍到來之前，東線兵團難以全殲範家集守敵。
許世友、譚震林決定圍點打援，除留九縱一部虛張聲勢繼續圍攻範家集外，其他部隊全部轉入打援。
6日拂曉，敵九師在飛機和重炮的支援下，從東路向紅石山、台前陣地發起猛烈攻勢。
雙方展開了慘烈的拼殺，對陣地反複争奪。
敵二一一旅從西路向範家集、三戶山進攻，嚴重威脅二縱側背安全。
東線兵團指揮部急令二縱組織強大的兵力，實施正面阻敵。
二縱參謀長詹化雨帶領四師和五師十四團，在常家屯迎頭痛擊敵二一一旅先頭部隊。
8日淩晨4時許，二縱将敵二一一旅全部包圍在山陽莊地區。
随後，二縱各師、團同時從四面發起總攻擊。
經過五個小時激戰，敵分别向西北、西南突圍，被二縱切成數段，大部迅速被殲。
另有一部殘敵掉頭向西，逃至濰河東岸，被我第六師偵察隊殲滅。
敵六十四師一五六旅和四十五師二一二旅從南路由高密經朱陽北進。
一縱獨立師一團、七縱主力對敵進行阻殲。
7日，當敵一五六旅進至張家莊、二一二旅進至和睦屯附近時，我阻援部隊全線出擊，大膽穿插分割，将敵包圍于鄭家莊、官莊、薛家集三個村落。
敵企圖突圍，被我第二十師全殲。
範漢傑見西路援軍被殲，東路、南路援軍受阻，困在範家集的整編第六十四師又不得脫身，乃急調整編第八、第五十四師，由蓬萊、牟平經萊陽兼程回援。
東線兵團見調動膠東腹地敵軍回援目的已達到，遂于10月10日撤出範家集之圍，轉移到安丘、諸城間的景芝鎮以南地區休整。
膠河戰役重創國民黨軍8個旅，殲其1.2萬人，其中俘8000餘人。
在此期間，第十三縱隊于10月4日攻克掖縣，殲敵整編第八師2000餘人後，移栖霞以南地區休整。
第十師在濱北軍分區部隊配合下，于10月16日上午攻克諸城，殲敵第一五九旅辎重營及國民黨地方部隊3000餘人。
至此，國民黨的“9月攻勢”基本失敗，東線兵團開始轉入反攻。
陳毅和粟裕聞訊甚喜，特聯名發來賀電，稱：“這一仗不僅給堅持膠東提供了保證，更使山東轉入了全面反攻階段！”中共華東局特傳令嘉獎東線兵團。
解放軍總部鄭重向外界宣告：在這個戰場上，我軍已轉入反攻！ 中共中央在10月8日緻華東局轉許世友、譚震林電中，高度評價了膠河戰役的勝利，指出：“自從你們轉入反攻後，我軍業已無例外地全面轉入反攻。
敵人已沒有任何一處再能進攻。
”
膠高追擊
11月初，國民黨軍在膠東遭受慘重打擊時，劉鄧、陳粟、陳謝三軍正在中原實施戰略展開，晉察冀野戰軍正在石家莊外圍作戰。因此，蔣介石急于從山東戰場抽兵他用，除以整編第八、第四十五、第五十四、第六十四師等部分散守備和“掃蕩”其占領區外，密令整編第九師集結于膠（縣）高（密）地區，拟經坊子空運至徐州或石家莊；整編第二十五師集結煙台，拟海運上海後轉用于大别山戰場。
中央軍委即電示東線兵團：“盡可能以殲敵一部的方法，延阻敵九師他調，以配合兄弟兵團作戰。
”許世友、譚震林即把“緊緊拖住敵人，支援其他戰場”作為東線兵團行動的基本點。
11月6日，敵九師從高密出發，全部進至老匙溝、丈嶺一帶。
東線兵團以七縱、九縱于丈嶺、劉家埠、朱拂、塔爾埠一帶截擊敵人。
因對敵情偵察不準，此次行動沒有達到分割包圍的目的。
敵人遭到突然打擊，被迫轉入村落據守。
七縱、九縱各部迅速分頭發起攻擊，殲敵1000多人。
敵九師西進的路線被封死，面臨着被殲滅的危險。
範漢傑急令六十四師及一九八旅由高密沿鐵路西援。
敵九師西進懼殲，便掉頭迎着援兵向東回竄。
東線兵團二縱、七縱、九縱緊追不放，緻使敵人丢盔棄甲，遺棄辎重彈藥無數。
11月15日，敵人交替掩護，退到高密城，留下六十四師一五九旅一個團固守高密，憑借半永久性城防工事，鉗制迷惑東線兵團主力，掩護敵九師繼續向膠縣、城陽退卻。
東線兵團則由堵擊改為追擊，令第二縱隊圍攻高密守敵，第七、九縱隊追殲東竄之敵。
11月19日，二縱逼近高密城，迅速控制城東南大呂、堤東、姚哥莊地區，20日完成了包圍。
22日夜開始，他們利用4天時間進行艱苦的坑道作業，築成了三條坑道，直通至城牆角下，然後把三口棺材分别裝上五百餘斤炸藥，放到爆破位置上。
26日21時，總攻開始，三條坑道同時起爆，一舉成功。
然後，四師由西、北面，六師由東、南面迅猛突擊。
五師為二梯隊，山炮團逼近城垣，配合步兵實施抵近射擊。
戰至27日10時50分，敵四七六團團長陳傑見大勢已去，率殘部繳械投降。
十三縱為策應膠縣高密追擊戰，于7日拂曉前開始合圍海陽。
周志堅司令員決意長期圍敵，敵人則在慌亂之機組織突圍。
在數個陣地上，出現了敵我反複争奪、失而複得的局面。
在此期間，敵九師已退至大沽河以東，靠近青島，準備海運調援。
範漢傑為解海陽五十四師之圍，急令平度的敵一九八旅東援。
許世友、譚震林通過對戰場形勢分析，認為如果繼續追擊敵九師，可能會促其更快海運；若轉兵打敵一九八旅，也許既能殲滅敵一九八旅，又能迫使敵九師回援，便于殲滅。
于是，許世友、譚震林令七縱、九縱轉兵北上，追擊敵一九八旅。
果然，範漢傑一見海陽之圍沒解，一九八旅又被重兵圍住，且有被殲之危，便調敵九師七十六旅東擊救援，同時令七十四師五十七旅策應。
25日，第九縱隊兩個團對現子灣國民黨軍四個營發起進攻，因對敵情掌握不明确和輕敵，導緻初戰受挫，形成對峙。
27日，國民黨軍整編第七十四師第五十七旅由靈山東援被阻擊。
整編第九師第七十六旅由即墨至南阡、北阡向金口、仙遊進攻，第一九八旅一部亦出擊策應。
第九縱隊兩個師、第七縱隊一個師又轉而攻打卧牛山和南阡的敵第七十六旅。
範漢傑見海陽之圍未解，又有兩個旅被圍，便急調整編第六十四師與整編第八師一部來援，以掩護第一九八、第七十六旅撤回青島。
因援敵迫近，東線兵團決定撤出戰鬥，于30日北移萊陽以南、五龍河兩岸待