刘邓大军出击陇海路后，中原战场顿时如翻江倒海一般。蒋介石急忙改变作战计划，调集了14个整编师、32个旅，共30余万人到冀鲁豫战场。到8 月下旬，这些部队在郑州、新乡。开封等地完成了集结，准备向冀鲁豫解放区腹地发动一场报复性的攻击。蒋介石还亲自召集作战会议，研究作战方案。会后他责令国防部长白崇禧、参谋总长陈诚亲自前往开封部署，郑州绥署主任刘峙则到考城、民权前线督战。不打一个大胜仗，蒋介石是绝不甘心的。
8 月28日，东面国民党军第5 军和整编第11师、第88师从杨山、虞城一带，向成武、单县、鱼台进攻；西面国民党军整编第3 师、第41师、第47师全部，整编第55师和第68师各1 个旅，从封丘、开封、考城一线，向东明、定陶、曹县进攻。
“蒋介石、刘峙要逼刘邓大军与国民党军决战！”
这是在陕北延安指挥解放区军民作战的毛泽东，对晋冀鲁豫战场新军事形势的判断。连日来他与刘伯承、邓小平一样，一刻不停地把目光集中到晋冀鲁豫战场，关注着国民党军的每一个新的动向。
8 月29日，毛泽东作出了集中兵力打击国民党军整编第3 师的决策。他在给刘伯承、邓小平电报中称：“俟第三师两个旅进至适当位置时，集中全力歼灭其一个旅，而后相机再歼灭其一个旅。该师系中央军，如能歼灭影响必大，望按实情处理。”
显然，毛泽东是给刘邓留有余地的，打不打，还是由刘邓自己决定。因为，国民党军整编第3 师，是蒋介石的嫡系，美械装备，全师约3 万多人，是强敌。但同时也是弱敌，因为整编第3 师是从追击中原解放军的途中调来的，是疲惫之师，已受到了一定程度的削弱。由于是蒋介石的嫡系，同杂牌部队有矛盾，如遭解放军打击，杂牌军是不会积极增援的。
刘伯承、邓小平决心克服一切困难，坚决消灭第3 师。他们的决心是建筑在对形势的科学判断上。
刘邓认为国民党军第一线兵力，虽有10万之众，但在其分进合击时，每路至多只有1 至2 个师，而且指挥不统一，有嫡系与杂牌的矛盾。自己的部队虽然只有5 万余人，装备也差，人员很疲，但士气却很高涨，并有根据地作依托，有广大群众支援，有地方武装配合。只要按照毛泽东的指示，充分利用国民党军的弱点，发挥自己的有利条件，集中优势兵力，寻歼整编第3 师是可能的。
根据国民党军东西对进的态势，刘邓决定对东线徐州方向的国民党军实施监视、阻击，这路国民党军中的第5 军和整编第＊师是国民党军的“五大主力”中的两大主力，全部美械装备，战斗力强，且行动谨慎，故不宜与之交手。因此置重点于西线。为实现战役决心，刘邓集中第3 、第6 、第7 纵队的主力，隐蔽配置在定陶西南地区，等待自郑州出犯解放区的整编第3 师的到来。
8 月31日，刘邓首长下达战役命令。战场预设在定陶以西的安陵集、韩集地区。在部署上，以第6 纵队和第2 纵队共5 个旅为右集团，主力由北向南，另一部由西向东攻击；第3 纵队和第7 纵队共4 个旅为左集团，主力由南向北或由东向西攻击。两集团均以少量兵力，对整编第47师实行钳制，而集中力量用于对国民党军整编第3 师的作战。
国民党军整编第3 师师长赵锡田，是国民党军陆军总司令顾祝同的外甥。自恃是中央军，兵精弹足，十分骄横，不仅根本不把刘邓大军放在眼里，吹嘘“不用两星期，就占领鲁西南”，而且在国民党军各将领中也十分霸道。当他一路向刘邓大军袭来时，有位国民党军的随军记者告诫他：“你如此孤军突进，一旦被刘邓所围，这是很危险的。”赵锡田则宣称：“我奉总座调遣，来冀鲁豫追剿共匪，整编第41、47师都必须支援我”。
狂妄自大，骄兵必败。
刘伯承对付赵锡田的办法，仍是红军时期对付国民党军强敌的战术：即诱敌深人。他下令王近山抽调两个主力团，对整编第3 师实施运动防御，边打边退，按预定计划将赵锡田这头野牛，引向自己亲手设下的屠宰场。而以主力四个纵队隐蔽集结在附近地区，作短暂休整，以逸待劳。
战役于9 月2 日打响。刘邓为了迷惑赵锡田，下令担负牵牛的2 个团，只作短暂而猛烈抵抗，而后又佯装败逃，好放手让赵锡田冒进，争取9 月3 日夜到达大、小杨湖地区。而令其他担任阻击、牵制任务的部队，拼死阻击其他各路国民党军进攻部队，迫使其把进攻速度降下来，拉大他们与整编第3 师的距离。
赵锡田果然中计。
整编第3 师发起进攻后，因受到刘伯承和邓小平的特别“关照”，而没有受到顽强的抵抗，故很顺利地占领了几个城镇。赵锡田十分得意，并接连用无线电向刘峙报告情况：“刘总司令，你们都说刘伯承、邓小平多么了不起，我还没有用多大力气，就快要把他们赶上太行山了。”
刘峙毕竟与刘伯承交过多次手，而且次次失败，当然对赵师长报告的情况半信半疑，还特意用密语问赵锡田：“我要不要下令空军支援你作战。”
“飞机不用了，大炮也不用了，就凭我的轻武器就够刘伯承、邓小平他们受的。”赵锡田干脆用明语答话。
“为什么不用密语？”刘峙对赵锡田的此举感到吃惊，并特别提醒他。
赵锡田更狂了，他说：“不要紧，共军根本没有这个玩意儿（指无线电）。”
吃过刘邓大军苦头的刘峙对赵锡田的乐观仍是不敢相信，但急于打败刘邓的蒋介石却对此深信不疑，他特地从庐山发来嘉奖令，并令刘峙和国民党军陆军副总司令从郑州赶到前线视察和慰劳有功人员。
经过现场视察，刘峙也对赵锡田宣称的事实信以为真了。求功心切的他，临时改变部署，将原计划的整编第3 师和整编第47师会攻定陶，改为整编第47师单攻定陶，整编第3 师单攻菏泽。他做梦也不可能想到，这样一来等于把赵锡田送上了断头台。
9 月3 日晨，在赵锡田率领下的国民党军整编第3 师大胆进入大、小杨湖预定战场。当晚11时30分，刘邓下令各集团各歼一个团，而后再歼师部和第3 旅。由于采取集中兵力各个歼敌的战法，在兵力对比上，刘邓大军达到了4 ：1 的绝对优势。
面对刘邓大军猛烈的攻击，赵锡田也毫不示弱，也组织一次又一次的反扑。但战至天明，刘邓大军已将他的整编第3 师全部围了起来。使他再也动弹不得。
这时，赵锡田也如梦大醒，知道中了刘伯承的“奸计”，不过为时已晚。求生的本能告诉他：一面在国民党空军支援下，依靠坦克，拚命进行反扑；一面向刘峙呼救。
听到赵锡田求援的声音，刘峙还以为在与他开玩笑。当听到赵锡田在电话的另一端哭丧的声音后，刘峙下意识地说了句“这下又完了！”类似的话，平汉战役说过、中原突围说过，今天他又说了。
的确，正如刘峙所言，整编第3 师完了，他本人也完了。刘峙只好死马当活马医。一面严令整编第47师增援，一面派飞机前去助战。但是，早有准备的刘邓下令第3 纵队全力阻击整编第47师，很快就将援敌给打回去了。
刘峙无奈又令整编第41、55、68师分别由东明、曹县赶来增援。
在此危机时刻，刘伯承严令各路阻击部队坚决阻击，不让国民党军再前进一步，9 月5 日夜他亲自到第6 纵队王近山部的司令部，召集纵队首长开会，提出坚决歼灭整编第3 师，强调一定要集中兵力、火力等战术问题。随后下令再次向赵锡田发起攻击。会后王近山赶往大杨湖前线指挥。
王近山是刘邓大军中骁勇善战的猛将，从来都是冲在进攻部队的最前面。考虑到他的安全，刘邓首长曾多次要求他不要太靠前。但王近山仍经常出现在与敌人肉搏的第一线，因此，他还被称为“王疯子”。这次打赵锡田，他又冲在了最前面。
在第6 纵队司令部等候前线消息的刘伯承接到的第一个电话，是已经前进到距大杨湖只有1 公里路的第6 纵队司令员王近山打来的。王近山在电话里向刘伯承保证，一定消灭掉整编第3 师。他们曾有如下的对话：“喂！近山，前线怎么样？今天晚上能拿得下来吗？”刘伯承抓起电话就问。
王近山：“报告司令员，请您放心，我们准备好了一切，坚决歼灭整编第3 师。6 纵即使打剩一个连，我当连长，杜义德当指导员，决不放弃战斗！我要求战士们把自己的子弹、手榴弹统统打到敌人身上去，最后就是用牙咬也要把敌人消灭。”
刘伯承：“近山同志，你的决心很好！这一仗如若我们打不好，冀鲁豫平原我们就站不住了！还要背起包袱回太行山啊！你们今晚上的任务很艰巨，只要消灭大杨湖敌人，整个晋冀鲁豫战场的形势将发生很大的变化。”
与此同时，刘邓大军另一员战将杨勇给刘邓首长打来了电话。
刘伯承在电话中对杨勇讲：“杨勇同志，冀鲁豫解放区，是你们亲自创建的，是你们用血汗从敌人手中夺过来的。现在国民党军要侵占它，假若我们不把这股强盗消灭，这里的人民就要遭殃，你们就前功尽弃！”
杨勇：“刘司令员。我懂了，我们一定要彻底消灭整三师！”
第2 纵队陈再道、第3 纵队陈锡联两位司令员也来电话向刘邓保证，一定啃下这个硬骨头，坚决完成任务。刘邓要求他们要不惜一切代价，向整编第3 师展开猛攻。特别告诉陈锡联，要集中兵力攻击赵锡田的师部。
“你是陈锡联吗？”刘伯承问。当时战场火力很猛，互相听不清谁是谁的声音。
“我是陈锡联，司令员！”第3 纵队的司令员陈锡联坚定地回答。
“你听着。你现在立即组织强有力的突击部队，猛攻赵锡田师部，捣毁整编第3 师的指挥机构，活捉赵锡田，这叫擒贼先擒王。要是我们拿不下来整编第3 师这个硬骨头，你、我，还有咱们的全野战军，只好重回冀南、太行打游击。”
“请司令放心，不活捉赵锡田，我就不来见您。”
与各纵队司令员通完电话，刘伯承于当晚23时30分，向第6 、第2 、第3 、第7 纵队下达了总攻击令，号召全体将士要与整编第3 师比谁的骨头硬。左右两集团随即投人了激烈的战斗中。王近山部打得最为残酷，有的连队仅剩下10余人。
9 月6 日晨，王近山下令总预备队投人战斗，给国民党军最后一击。战至8 时，终于攻占大杨湖村。与此同时，第2.第3 、第7 纵队，也胜利地歼灭了当面之敌。
9 月7 日，对增援已失去了信心的赵锡田，准备作最后的一搏——率部突围。此时，已对赵锡田三面包围网开一面的刘邓野战军各部，正严阵以待这个歼敌机会。刘伯承待赵锡田率师部及第3 旅残部刚一脱离工事，就下令全线出击。王近山。陈锡联、杨勇、陈再道等率各部，以排山倒海之势，冲入敌阵，整编第3 师第3 旅被全歼，师长赵锡田成了俘虏。
定陶战役，是刘邓大军在解放战争爆发后打的第一个大歼灭战。此战，刘邓大军以伤亡3500人的代价，取得歼灭国民党军4 个旅1. 7万人，其中俘虏1.2 万人的重大胜利，缴获了坦克6 辆、大小炮200 门、轻重机枪710 余挺、长短枪4300余支、汽车14台。
当刘伯承和邓小平在俘虏收容所里看到赵锡田时，蒋介石之整编第3 师师长全然没有了在南京听其总座训话时的神气，样子十分狼狈——穿一件破棉祆，裤子已经破了几个大洞，脸上也有许多泥土，蓬头垢面的。邓小平心直口快地说：“赵先生的这身打扮是换来的吧，看样子赵先生还想跑。”
刘伯承不由得动了侧隐之心，恳切地对赵锡田说：“赵先生这些年来东奔西跑，很疲惫了，还负了伤，到解放区可以安心休养了，不要有任何顾虑，生活上我们尽力而为。还跑个啥子。”赵锡田对刘伯承的关怀深表感激。
定陶一役，刘伯承、邓小平就将蒋介石一个中央系整编师给连窝端掉了，此事使蒋介石大受刺激。当赵锡田被活捉的消息传到庐山后，蒋介石真动了肝火，他骂了人：“‘娘希匹’，刘经扶真是饭桶。”他下令陈诚、顾祝同即刻到封丘，召集刘峙等高级将领开会，检讨失败的原因，并于9 月15日下令将刘峙和他的参谋长赵子立撤职查办。
用30万大军没有打赢李先念的刘峙，终于没有什么理由可以推托的了，只得回南京当战略顾问去。福将成了“倒霉将”。而急于想为外甥复仇的顾祝同自告奋勇，接替刘峙任郑州绥署主任。
蒋介石撤了刘峙，当时国民党军高层中有不少人为刘峙抱不平。因为失败的责任应首推蒋介石，可是刘峙心甘情愿地为蒋介石担当责任。认为这是他的“好的下场”，“我不认为这是蒋公在罚我，是成全我。”
毛泽东对刘邓在定陶大胜蒋军自然十分高兴。他一面把刘邓定陶大捷的经验通报给全军，要各战区首长遵照执行；一面致电刘邓“庆祝你们歼灭第三师的大胜利。望传令嘉奖。”（解放日报）1946年9 月12日，题为（蒋军必败）的社论指出：定陶大捷“是继中原突围胜利与苏中大捷之后又一次大的胜利，这三个胜利，对于整个解放区南方战线，起了扭转形势的作用。蒋军必败，我军必胜的局面是定下了。”