吳化文布署在城頂山一帶，這貨半年來把司令部一直設在城頂山西南王家溝，原蘇魯戰區司令部舊址，可見吳化文把51軍及蘇魯戰區於學忠恨到什麼樣的程度，混成第5旅團一個大隊的鬼子和吳化文部一起駐紮，司令部周邊駐紮有偽軍6個團8000餘人，主要防範方向是西麵、北麵。沂山軍區已推進到擂鼓山、騾馬山一帶。南麵有浯水，再向南50公裡是沂水、莒縣。東麵有摘藥山，再向東40公裡是日軍駐紮的諸城。
吳化文這半年來一直在擔心山東軍區會突襲他的部隊，所以他才一邊瘋狂擴軍，一邊拉住日軍部隊壯膽。吳化文與我軍打了4年交道，也知道我軍不是他能對付的。他曾向日軍建議部隊退到沂水或莒縣，但被混成第5師團長野榮二拒絕了。在日軍看來，吳化文當狗就要有當狗的覺悟，皇軍打下的地盤不可能輕易放棄，皇軍軍力不足，吳化文就有為皇軍分憂的義務。
這一區域除了吳化文部外，還有厲文禮部、張步雲部部署在這一帶，厲文禮部主力駐紮在安丘地區?，城頂山的北麵，並以?夏坡為中心?構建防禦體係。張步雲部部署在諸城與日照之間的區域，活動於五蓮山區東部、北部及中部村莊。
李振華調集了沂山軍區2個團、1個炮營，魯中2個團、1炮營。再加上王吉文第3團，配屬部分地方部隊由魯中軍區司令員王建安負責指揮從擂鼓山向東進攻，從騾馬山向城頂山發起進攻。東北挺進軍111師由師長萬毅率領，從五蓮西部山區發夜間秘密跨過濰河、浯河，從摘藥山東麵進入，隱蔽在山區。李振華則帶著機動兵團隱蔽在沂水、莒縣以北峨山一帶尋找戰機。
8月13日淩晨三點，進攻吳化文部的戰鬥正式開始，王建安命令沂山軍區2個團從騾馬山插到東古廟，2個團在東古廟、任家旺一線布置陣地，向南威脅王家溝吳化文司令部，向北警戒城頂山偽軍向王家溝方向增援。魯中2個團及王吉文3團沿著秋峪向吳化文司令部發動正麵進攻。
吳化文部半年多沒有受到攻擊，部隊有些麻痹大意。驟然受到西、北兩麵攻擊驚慌失措。混成第5旅團的那個大隊大部被派往了西線秋峪方向，那裡的攻擊最為激烈。鬼子大隊部及一個中隊留在王家溝。吳化文一麵不斷抽調部隊往西、北兩個方向，一麵向駐守沂水、莒縣的混成第5旅團求救。從前方傳來的消息，山東軍區動用了5個主力團上萬人，兩個方向都有炮兵。北線與城頂山部隊聯係已被東古廟、任家旺一線的共軍切斷，西線已被攻破兩道防線，吳化文冷汗直流，暗道山東共軍這是要弄死自己啊！他期待日軍援軍能儘快前來增援。
沂水混成第5旅團旅團長長野榮二收到求援電報後，立即從沂水、莒縣駐軍中抽調了3個大隊的日軍在沂水集合，北上救援。日軍向北行進至高橋，向西跨過沭河，沿公路向西北方向急進。李振華得到消息後，將黎明第18團布置到貢丹山，炮兵營也布置在這裡。楊仁初特務團、李福澤第一團部置到楊莊鎮以西的五山等高地，賀東生第6團、胡奇才第20團在峨山。李振華準備在峨山、貢丹山、五山組成的三角區域內楊莊周邊），消滅日軍混成第5旅團增援部隊。
淩晨五點多天蒙蒙亮，西線部隊已進攻到離王家溝已咫尺之遙的大老子，吳化文部構築的地上工事在高射機槍的直射和炮兵的炮擊下完全起不到太大作用。一個中隊的日軍已損失殆儘，城頂山援軍遲遲不到，吳化文徹底慌了，一麵抽調部隊堵住西線缺口，一麵尋找後路。
王家溝東麵摘藥山上，東北挺進隊4個團摸到了摘藥山上吳化文部炮兵陣地邊上，陣地上的偽軍炮兵還在不斷向西麵戰場觀察，向進攻大老子的我軍開炮，完全沒有注意到我軍已經摸了上來。東北挺進軍突然發起了進攻，一次衝鋒就拿下了摘藥山炮兵陣地。萬毅帶著3個團衝下山向王家溝發起進攻，1個團在炮兵陣地防守並向王家溝、大老子炮擊。
吳化文被東麵摘藥山方向的進攻打蒙了，摘藥山上的炮兵陣地調轉了炮口還在不斷向王家溝炮擊。他預識到大勢已去，帶著司令直屬警衛部隊和日軍大隊部向南往沂水、莒縣方向逃竄，也不顧正在阻擊我軍的偽軍部隊。隨著吳化文的逃離，偽軍很快就崩潰了。王建安指揮部隊迅速占領了大老子、王家溝。留下東北挺進軍的1個團在王家溝，1個團向南追擊吳化文，另2個團在萬毅的帶領加入了王建安的兵團北上，準備與沂山2個團彙合後重兵進攻城頂山。
防守城頂山的是於懷安，汪偽第三方麵軍第6軍軍長，城頂山周邊布置1萬餘人。王家溝戰鬥發生時吳化文命令部隊增援，於懷安派了4個團5000餘人南下，被沂山2個團堵在了任家旺附近，王建安兵團北上，立即對這股偽軍發動了猛攻，殲滅偽軍1500餘人，偽軍餘部潰散。王建安沒有理會，丟給地方部隊處理，他則帶著部隊向城頂山發起了猛攻。
於懷安見我軍大部隊來襲，知道吳化文和南下增援的部隊必定是凶多吉少。如今手上的兵力也隻有7000餘人，他完全看不到有一絲勝算希望。於懷安命令偽軍2個團在城頂山抵抗，他則帶著4000餘人向東往諸城方向逃竄，安丘方向厲文禮部與他們關係惡劣。
於懷安一跑，留下的偽軍毫無鬥誌，紛紛舉手投降。王建安兵團順利占領城頂山區域。兵團暫停了進攻的步伐，按照事先計劃，部隊立即展開，在城頂山區域就地防禦，再往北就是平原厲文禮的防區了。戰前他與李振華商議過，兩人達成了一致意見，都同意此戰要穩紮穩打，貪多了也嚼不爛。準備穩定了城頂山區域後，再對厲文禮部出重手。
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