话说陈毅定下北上打击李仙洲集团的战役决心后，就令华东局国军工作部想办法与正在王耀武统率下的国民党军整编第46师任师长的韩练成联系，请他从内部进行配合。
2 月10日，当陈毅等率华野战军主力北上莱芜地区时，突然接到前线侦察兵报告：“我们在蒙阴前面抓到了国民党一个姓李的‘高级特务’，目前正在向指挥所押送途中。”
陈毅一看，这人就是他派到国民党整编第46师去同该师师长韩练成联络的华东局国军工作部敌工科长杨斯德。原来经过中共南京办事处的工作，解放军早与韩师长取得了联系，并派了杨斯德和刘贯一两人到该部联络。这次是韩师长托杨斯德来通报情况的。
韩练成，是大革命时期秘密打入国民党军中的老共产党员，已经成为国民党军的高级将领，这么多年来从未中断过与中共地下党的联系，定期交纳党费，是一位久经考验的革命者。
他向中共地下组织表明态度，决定不在国民党军中工作了，要回解放区堂堂正正地为党工作。但中共地下党组织没有同意，并希望他继续隐蔽在国民党军中工作，在适当的时机举行起义。此次率部与陈毅、粟裕作战，他希望配合华东解放军作战，来一个里应外合。派杨斯德和刘贯一回来，就是向陈毅通报情况和商议方案的。
陈毅听了刘贯一的汇报后，嘱刘贯一转告韩练成：“第一，希望他努力民主事业。第二，中共中央和陈毅本人对他是信任的。第三，彼此之间的联系不便向下面讲，因而发生摸哨之类的事在所难免，不要见怪。”
2 月19日，陈毅率领的主力已在莱芜东西地区完成了进攻李仙洲集团的作战部署，“准备于20日晚打响。
2 月20日，陈毅和粟裕把刘贯一叫到指挥所来，交待任务。
陈毅首先将整个战役的作战部署和计划如实告诉刘贯一后，又对刘说：“贯一同志，你好不容易回来了，可该好好休息休息，但革命战争的需要，你现在必须马上回韩练成同志处。”
刘贯一当时是华东局和华东军区国军工作部的副部长。他当即表示：“请首长放心，为了打败蒋介石，就算牺牲我的生命也要去！”
陈毅接着说：“你去告诉韩练成，在我们攻歼李仙洲总部时，他不去增援，必要时放弃部队的控制，以求得此次战役的彻底胜利。”
此时，粟裕在一边插话：“你回去后，就留在韩练成部队中积极活动，动摇国民党军中下层官兵的军心，要机动灵活，沉着应战。”
最后陈毅深情地对刘贯一说：“我代表党中央和华东局向你们二位同志表示党对你们的态度。党对同志们是非常爱护和关心的，为了完成这一光荣任务，需要你们两位同志去担当。要留下你们两个人继续在那边同敌人斗争。”
刘贯一显得十分激动，他说：“党和上级耐心地教育了我好几年，我虽然质量不高，但在任何情况下决不会向敌人屈服，请上级放心！”接受完任务，刘贯一立即动身，返回韩练成部，当晚10点半陈粟大军围歼李仙洲集团的炮火就打响了。
22日上午，经过一天多激战，李仙洲总部率两个军缩集于小小莱芜城，满城是兵，军心动荡，李仙洲束手无策。这其中也有整编第46师。
对日晨，刘贯一、杨斯德向第46师师长韩练成传达了陈毅的口信，韩当即放弃了指挥，脱离了部队，隐藏在城内。韩的行动使敌军产生了混乱，国民党军开始拥出城门向北行动，先头在吐丝口以南遭到顽强抗击，前进受阻，到中午，国民党军的后尾脱离莱芜城。
华野立即占领该城，断其后路。下午1 时前后，华野部队从四面八方向国民党军猛攻，穿插分割，坚决消灭负隅顽抗的敌人。到下午5 时，战斗结束，活捉了李仙洲。第73军军长韩浚率1000余人窜入吐丝口，也被活捉。一个被俘的团长感慨万千，他说：“就是捉5 万只鸭子，也得费点功夫啊！”
战斗结束后，韩练成见到了陈毅。陈毅高度评价了韩对战役胜利起到的作用，并鼓励他再为党的事业立新功。
陈毅考虑到韩练成将军还须留在国民党军中工作，便让他带了卫队等100 余人从莱芜东南山区“逃出共军的天罗地网”，向青岛方向而去。
华东野战军坚决按照中共中央军委和毛泽东确定的“以歼灭敌人有生力量为主要目标而不以保守地方为主要目标”的作战方针，打一仗，消灭一部分敌人，后撤一步；再打一仗，再消灭一部分敌人，再后撤一步，以让出苏北、鲁南解放区的大部城镇为代价，连续打了三个大胜仗，特别是莱芜战役证明，人民解放军可以组织“大兵团、大歼灭战”，这是了不起的战场经验。毛泽东本打算全军在第二个四个月中歼敌25个旅。30万人，而华东在三个月里就歼击了15个旅、13万人。这是惊天动地的大胜利，这也让蒋介石痛下决心，准备以更大的赌注来与陈毅、粟裕赌，来与毛泽东赌，那就是准备发动重点进攻山东和陕甘宁两大战略区的“双矛”攻势。