蒙阴城的鬼子在焦急的等待大雄贞雄的归来。晚上三点多突然有传令兵纵马到城下报告了偷袭胜利的信息。并告知城上日军，不久就有俘虏到来。守城日军才放下心来。
半小时后，日军押着大批俘虏来到城下。城上日军不疑有它，打开了城门。城下日军俘虏蜂拥而入，押解的日军沿马道登上了城墙，城墙上的日军还好奇他们怎么跑到城墙上了。他们做梦也没想到一向只会偷袭的八路军会攻击县城。八路军开火了，迅速控制了蒙阴城北门段城墙，并向城墙两端扩展。北门八路军大部队冲进城内，一部分沿大街突击，一部分登上城墙沿两端城墙向前扩展。
日军被打了个措手不及，日军在第10旅团参谋长石井一郎的带领下拼死抵抗，进城的八路越来越多，而且石井一郎还发现城墙上的八路快打到东门。石井一郎命令日军从东门突围，八路军完全占领蒙阴城。
刚逃出城的日军就又遭到115师一部的伏击， 日军夺路向新太狂奔，队伍越拉越长。115师不断侧击日军，并从北向南把日军切为数段。地方部队也参与进来，痛打落水狗。从蒙阴突围的日军只有少数突出重围，跑到新太。
新太日军向逃出来的石井一郎了解情况。得知蒙阴情况后，他们联大熊贞熊，已联系不上，将近三千的日军估计是凶多吉少。新太日军不敢轻举妄动，加强了新太城防，向济南12军报告了蒙阴遭袭的情况，12军命令新太驻军等待天亮后再作打算。
天亮了，日军派出了飞机搜索。飞行员看见新太至蒙阴的公路已被破坏的千疮百孔，抗日沟纵横交错。战争硝烟还未散尽，不时看到有日军尸体倒伏在地。蒙阴城人影稀疏。飞机又飞到黄崖村上空，只看见黄崖村一片焦土、残垣断壁，看不见日军尸体。日本尸体已被八路军连夜掩埋。
新泰日军派出一联队向蒙阴进发，沿途不断遭到115师冷枪、冷炮。八路军在抗日沟里快速机动。日军派出小部队进到抗日沟里追击，小鬼子身高不够，看不见沟外的地面，很快被四通八过的抗日沟转晕了方向。不是掉进了陷阱，就是被八路军出其不意的击杀。日军联队行进没有超过10公里，死伤已经过百，无奈只能退回新太。
此时陈光带着115团3个团，沂蒙军区3团，2个炮营秘密南下。部队穿过沂蒙山，从北面对平邑、铜石发动了突袭，鲁南的115师一部也从南发起进攻。南北夹击下平邑镇、铜石镇2000多日军大部被歼灭，小部分逃到泗水、邹城。115师一举切断了临腾公路。我军占领蒙阴、平邑，使得根据东西两边日军不能直接联系。占领平邑、铜石后，陈光部向东进入天宝山，蒙山军区直属部队向南移到蒙山南麓，只要费县日军敢轻举妄动，我军南北夹击，日军不死也要脱层皮。