吴化文部一路逃过浯水，向南跑到了芦沟。这时西面杨庄方向突然传来隆隆炮声。吴化文心头一惊，他立即意识到山东军区可能在围歼日军援军，这次行动可不单单是为了收拾他，肯定是大动作。鬼子大队长要求吴化文往杨庄方向前进，吴化文可不想去送死。正为难时，东北挺进军1个团从北边追了过来。吴化文以部队新败无力再战为由，掉头向西往诸城方向而去。鬼子大队长及其手下被扔在了当地，被东北挺进军追上当场消灭。东北挺进军的这个团没有去追击吴化文部，团长管松涛也听到了杨庄激烈炮声，里面有火箭炮特有的呼啸声，他决定向杨庄方向快速前进。
吴化文的猜测没有错，李振华正在杨庄围歼混成第5旅团三个大队，日军带队的正是旅团长长野荣二。
救兵如救火，匆忙中长野荣二失去了以往的谌慎，带着部队一脚踏进了李振华设好的伏击圈。先头部队过了杨庄西面的秀珍河，杨庄东侧高地的杨仁初特务团、李福泽第1团首先开了火，日军先头部队倒下一片。长野荣二见遇到阻击，立即命令部队展开，后续部队加紧过河，在秀珍河西岸建立炮兵阵地，准备炮击阻击阵地后，攻占高地。
长野荣二想的很好，日军九二步兵炮、炮兵刚刚集中，就遭到贡丹山上我军炮营约炮击。日军六门九二步兵炮一炮未发，就被我军火力覆盖。炮营打完日军炮兵阵地后，调转炮口，炮击日军密集处，这时火箭炮的火力优势就发挥出来了，一轮炮击下去，覆盖一大片。高射机枪精准射击高价值目标，12.7㎜子弹鬼子挨上身体就会解体。李振华命令第6团、第18团、第20团全线出击，日军损失惨重。
日军兵力被秀珍河分为两半，兵力大半进入秀珍河东岸，长野荣二命令西岸日军死死挡住进攻，东岸日军全力向东突围。突围过程中不断有日军被射杀倒地。西岸我军全力突击，贡丹山上炮营提供火火力支援，把日军压缩到秀珍河西岸，西岸日军虽只剩200余人，但拼死抵抗，为东岸日军争取时间。
秀珍河东岸，日军不计伤亡往前突进，眼看1日军主力就要突出重围，第1团、特务团各派出一个营冲下高地与日军纠缠，拖住日军。就在这时，东北挺进军管松涛团赶到，迎着日军从东向西冲了上去，突围日军被压了回去。
西岸李振华调集轻重机枪、高射机枪压制住日军火力，战士们冲到日军阵地前先投一轮掷手雷，最大限度杀伤日军后。冲上日军阵地消灭了西岸顽抗的日军。机枪组又调到西岸沿秀珍河布置，向东岸日军扫射，部队跨过秀珍河从西向东压缩日军。
日军四面被围只剩下千余人，李振华为减少伤亡，没有让战士们立即冲锋，而是用炮火洗地，用机枪、高射机枪扫射。先削弱被围日军实力。各式炮弹砸进了被围日军人群之中，长野荣二眼见突围无望，又不甘于被动挨炸，命令日军发起决死冲锋，他自己则切腹自杀。这正中李振华下怀，我军从容消灭了残余日军。
李振华向山东军区汇报了战况，留下东北挺进军管松涛团打扫战场，立即带领主力沿日军来时之路，向沂水方向突进。山东军区也按计划调集了3个团的兵力向沂水发起进攻。横扫日军沂水县城周边据点，残余日伪军纷纷退入县城。我军开始从南、北两个方向猛攻沂水县城。
沂水日军只有500余人、伪军1000余人。他们还不知道第5混成旅团主力已被消灭，苦苦支撑着守沂水城，指望主力能回师救援。远远的望着北面烟尘升起，他们还以为是主力回援了，待稍近鬼子大队长用望远镜细看才发现是我军大部队。鬼子大队长命令伪军防好城池，他要集中日军从西门绕道向城北突击八路军。400余日军从沂水西门出城，一溜烟向莒县方向狂奔。伪军大队长也不傻，见鬼子溜了，再也无心守城，带着伪军也以西门往外逃跑。李振华带着部队刚到，一枪还未放，沂水城被我军占领。
李振华带领部队向莒县方向追击日伪军，伪军在我军的追击下溃散，400余日军跑的比兔还快，先一步进入了莒县县城。李振华一直追到柳青河也没追上，只得停止追击的脚步，莒县不在此次作战范围之内。
至此收复诸莒地区的战斗圆满结束，收复了苏鲁战区原防区，还多一个沂水县。整个战斗进行的太快，日军临沂、诸城、安丘等地的日军还没反应过来，战斗就已经结束。日军想方设法占领的苏鲁战区防区，几个月后最终落到了我军手中。
山东军区立即行动起来，划分防区选派部队部防，诸莒地区大体以大浯河为界，北部划归了沂山军区，南部划归了鲁中军区。山东抗大分校抽调了大批行政、军事、政工人才进入，开始协助组建抗日民主政府，组建民兵、妇救会等抗日组织。减租减息的工作也立即展开，山东军区还同时对没来得及逃亡的汉奸、劣坤展开了清算，没收其家产，罪行严重的当场处决。没收的粮食部分分发了下去，没收的土地优先分发给当地烈属及军人家属，其余的分给了无地农民，并颂发了地契。
诸莒地区很快就稳定了下来，通过救济、减租减租、分田地等多种方式，让当地老百姓感受到了我军、我党的不同。军区还从军中选拔了一些当地籍贯的干部前来诺莒地区，并着手培养本地干部。
山东军区的军事行动让日军措手不及，可碍于日军兵力不足，无法立即展开报复行动。在山东的日军兵力目前只能做到自保，无法进取。日军派了一个大队前往莒县协防，同时命令逃到诸城的吴化文部进入莒县部防、整补，并把五莲地区的张步云部，划归吴化文指挥。