凌晨五点多天蒙蒙亮，西线部队已进攻到离王家沟已咫尺之遥的大老子，吴化文部构筑的地上工事在高射机枪的直射和炮兵的炮击下完全起不到太大作用。一个中队的日军已损失殆尽，城顶山援军迟迟不到，吴化文彻底慌了，一面抽调部队堵住西线缺口，一面寻找后路。
王家沟东面摘药山上，东北挺进队4个团摸到了摘药山上吴化文部炮兵阵地边上，阵地上的伪军炮兵还在不断向西面战场观察，向进攻大老子的我军开炮，完全没有注意到我军已经摸了上来。东北挺进军突然发起了进攻，一次冲锋就拿下了摘药山炮兵阵地。万毅带着3个团冲下山向王家沟发起进攻，1个团在炮兵阵地防守并向王家沟、大老子炮击。
吴化文被东面摘药山方向的进攻打蒙了，摘药山上的炮兵阵地调转了炮口还在不断向王家沟炮击。他预识到大势已去，带着司令直属警卫部队和日军大队部向南往沂水、莒县方向逃窜，也不顾正在阻击我军的伪军部队。随着吴化文的逃离，伪军很快就崩溃了。王建安指挥部队迅速占领了大老子、王家沟。留下东北挺进军的1个团在王家沟，1个团向南追击吴化文，另2个团在万毅的带领加入了王建安的兵团北上，准备与沂山2个团汇合后重兵进攻城顶山。
防守城顶山的是于怀安，汪伪第三方面军第6军军长，城顶山周边布置1万余人。王家沟战斗发生时吴化文命令部队增援，于怀安派了4个团5000余人南下，被沂山2个团堵在了任家旺附近，王建安兵团北上，立即对这股伪军发动了猛攻，歼灭伪军1500余人，伪军余部溃散。王建安没有理会，丢给地方部队处理，他则带着部队向城顶山发起了猛攻。
于怀安见我军大部队来袭，知道吴化文和南下增援的部队必定是凶多吉少。如今手上的兵力也只有7000余人，他完全看不到有一丝胜算希望。于怀安命令伪军2个团在城顶山抵抗，他则带着4000余人向东往诸城方向逃窜，安丘方向厉文礼部与他们关系恶劣。
于怀安一跑，留下的伪军毫无斗志，纷纷举手投降。王建安兵团顺利占领城顶山区域。兵团暂停了进攻的步伐，按照事先计划，部队立即展开，在城顶山区域就地防御，再往北就是平原厉文礼的防区了。战前他与李振华商议过，两人达成了一致意见，都同意此战要稳扎稳打，贪多了也嚼不烂。准备稳定了城顶山区域后，再对厉文礼部出重手。