115師師部又率山東縱隊第2旅、蒙山支隊、抗大第1分校各一部返回沂蒙基本區，配合當地遊擊隊和民兵，打擊日軍的“清剿”、“搜剿”分隊，鎮壓漢奸，支援廣大群衆在内線堅持鬥争。
14日，日軍集中7000親人兵力，反複合擊蒙山西部地區。
為判明日軍“掃蕩”動向，中共山東分局和第115師領導機關進至東西蒙山之間的大谷台。
17日午後，日軍從空中偵察發現後，即對大谷台進行合擊，中共山東分局和第115師領尋機關遂東越臨（沂）蒙（陰）公路，進入沂蒙山基本區的北材，指揮内線部隊在垛莊、綠雲山等地，以伏擊、襲擊，阻擊等戰術打擊分散“清剿”之敵。
同時，抽調大批幹部分赴各地，領導群衆開展抗日遊擊戰争。
30日，中共山東分局和第115師領導機關轉移至大谷台以南大青山時遭日軍合擊，受到很大損失，山東省戰時工作委員會秘書長陳明、第115師敵工部副部長王立人、國際友人德國記者希伯、山東縱隊直屬第3團政治委員劉濤等犧牲。
12月4日，第115師直屬隊及蒙山支隊又在瓦城子一帶再次遭到合擊。
為了保障安全和不問斷地指揮作戰，中共山東分局和第115師領導機關遂再次轉向外線，進入天寶山區，内線作戰部隊由遲回坦埠地區的山東縱隊統一指揮。
12月11日，山東縱隊領導機關在蒙陰以東的高湖地區遭日軍合擊，山東縱隊宣傳部長劉子超等犧牲。
12月上旬，日軍第12軍除留少數部隊建立據點，扶植僞軍，鞏固其占領區外，以部分兵力分别對天寶山和濱海區進行“掃蕩”，掩護其主力撤退。
根據地軍民以廣泛的群衆性遊擊戰不斷襲擊殘留在根據地内的日僞軍。
23日，日軍主力分路撤退，八路軍乘機反擊，收複村鎮。
至28日，基本恢複沂蒙山區抗日根據地，反“掃蕩”作戰結束。
在将近2個月的反“掃蕩”中，八路軍共作戰150餘次，殲敵2000餘人，打破了日軍的“鐵壁合圍”，保存了有生力量，堅持了沂蒙山區的抗日鬥争。
但根據地軍民也付出了重大代價。
八路軍傷亡1400餘人，群衆被殺害或被抓走1.4萬餘人，損失糧食160餘萬斤，基本區四分之一以上的房屋被燒毀經過此次“掃蕩”，日軍将台（兒莊）濰（坊）、臨（沂）蒙（陰）、沂（水）臨（沂）等公路打通，在沂蒙區增加了近70個據點，從而構成對八路軍根據地的嚴密分割封鎖。