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。