晋冀鲁豫野战军和华东野战军连续取得的胜利，极大地打击了国民党军的士气，蒋介石急忙派参谋总长陈诚到徐州和郑州实地了解情况，并部署新的作战行动。蒋介石和陈诚制定了鲁南会战的计划。蒋介石除集结了徐州绥署的主力于陇海路东段外，还从郑州绥署抽调整编第27军东开徐州地区。当时，陇海路中段南北广大地区仅留置第四、第五绥靖区2 个旅结合地方团队担任守备，兵力极为单薄。
毛泽东看准了这一战机，于1947年1 月18、19两日连电刘邓，指示晋冀鲁豫野战军乘机开展攻势，收复失地，创造机动战场。18日的电报说：刘邓，并告陈粟：你们已击破方先觉刘汝明两部，形势极为有利。望乘胜展开攻势，向你们附近广大地区据点中一切较薄弱可攻取者广为攻取，不论敌正规军、伪军、民团广为歼灭，收复失地，并不被铁路所限制。路北扫荡一时期，即可越过路南攻占大批县城市镇，北面有隙可乘又过路北行动……如邱军南下向你们求战而又好打，则集结全力歼灭邱军，仍继续执行上述任务；如不好打，则经一部钳制之，主力仍打好打之敌。如此大约有两个月时间即可将路北、路南广大地区创造为机动战场，以便吸引邱军及其他薛顾主力来此而歼灭之。大约在今年五月间主力即可向中原出动，我五师在陕南、豫西、鄂西非常困难，如你们出动过迟即有失败之危险。
1 月19日的电报：刘邓：路北局面业已打开，形势很好。为着歼敌大批有生力量，壮大地方兵团，创造战场，孤立敌人主力，以利最后歼击之目的，利用王敬久、王仲廉、孙震三部均在黄河以北及张岚峰被我俘虏之机会，请考虑休整数天后，大举向路南行动一次，以四五星期时间，攻占豫东、淮北大批可能攻克之城镇，收复大批失地。四五星期以后王敬久部势必被迫南调，那时依情况打则就地打王部，不好打，转回路北，继续打弱点。是否可以，望斟酌告。
毛泽东是从整个南线作战的全局角度向刘邓提出这一作战任务的。刘邓坚决执行毛泽东的指示，决定立即举行第二次出击陇海路战役，也称为出击豫皖边战役。确定路南路北两个作战地区。以第l 、第2 、第3 纵队为路北作战集团，由刘伯承率领，夺取定陶、单县、曹县等广大地区；以第6 、第7 纵队和豫皖苏地方兵团为路南作战集团，由邓小平率领，利用俘虏张岚峰，以军事打击结合政治争取，解放张岚峰老巢拓城。待王敬久集团沿陇海路东援时，寻找战机，两集团向心合击，歼灭该敌。
1947年1 月24日发起，路北集团连续攻克定陶、单县。曹县，并破坏和控制陇海路民权、商丘段约35公里。路南集团亦在1 月30日至2 月2 日4 天内，连克豫东之拓城、太康。花县诸城，并乘胜围攻皖西北重镇毫州。在徐州指挥“鲁南会战”之国民党军参谋总长陈诚急令整编第75师向毫州增援。2 月2 日晚。当整编第75师第16旅由商丘开抵毫州以北之丁大庄地区时，路南集团已攻克毫州。战至4 日，在空军、坦克的掩护下，敌军丢弃全部重装备向北逃窜，大部被追歼。
2 月4 日，蒋介石亲赴郑州，急调豫北战场的王敬久集团第5 军，王仲廉集团的整编第85师和武汉的第72师，驰援陇海路，合击在该地区的晋冀鲁豫野战军主力，而后抽兵向东参加“鲁南会战”。按照蒋介石的指令，已占南乐、大名地区的国民党军第5 军、整编第85师，先后开赴陇海路兰封、商丘段，企图同先期到达的整编第72师，合击晋冀鲁豫野战军路北集团。
此时，毛泽东一心想以刘邓部的积极作战，拖住强敌王敬久之整编第27军东调鲁南，打破国民党军的“鲁南会战”计划。遂于2 月4 日要求刘邓以直接威胁徐州的行动来抑留邱清泉兵团，并指出：“现在我军须直接威胁徐州，抑留邱清泉及其他部队。因此，路北不要攻济宁，而要攻虞、鱼、丰、沛并大破陇海，向邱部举行攻击方能抑留该部；路南如邱军主力尚在民权地区，则我应攻宁陵、难县，如邱军主力业已向东，则我应进至永。夏、萧、宿，大破徐宿段。”
刘邓决定南北两集团攻歼邱清泉军一部，吸引王敬久所部第5 军、整编第75师等回顾。2 月10日，刘伯承赶到第2 纵队司令部，部署作战任务。他对纵队司令员陈再道说：“第5 军已过商丘，我们现在是追不上了，现在要用打敌所必救的战法，把第5 军拉回来。我们决心集中南北集团主力打敌整编第85师，你们第2 纵队打敌师部。要打得猛，打得狠，打得快。否则，不仅第5 军拉不回来，整编第85师等也要投人山东战场，那可就麻烦了。”
2 月11日夜，南北两集团向民权以西国民党军整编第85师发起进攻。第2 纵队第16团英勇果敢，一举突人郑庄寨内师部。但因后续部队被切断，该团遭受重大损失。但这一坚决、无畏的行动，给国民党军以严重震慑，有力地拖住了王敬久集团。此后，刘邓又以运动防御的战法，与整编第27师周旋，终以巨大牺牲，把王敬久抑留在晋冀鲁豫战场，有力支援了华东作战。
至此，刘邓部已歼灭国民党军1 万余人，除了有力给予华东支援外，收复了陇海路南北的广大地区，使豫皖苏解放区的3 个分区连成一片，为晋冀鲁豫野战军在这一地区机动歼敌创造了有利条件。同时，基于部队连续作战50天，极度疲劳，减员也很大，弹药也日益缺少，刘邓遂于2 月13日报告毛泽东，结束出击陇海路战役，休整15天。毛泽东回电同意，并叮嘱：“必要时可延长时间若干天，总以补充齐全。恢复元气为原则。”于是，刘邓率部于2 月底北渡黄河休整。
从1946年11月到1947年2 月，刘邓自率部南下滑县作战以来，连续进行大踏步机动作战，时而南下，时而又北上，时而又东进，3 个月时间，打了3 个胜仗，取得了歼击国民党军8 个旅，5 万人的胜利。不仅粉碎了国民党军企图打通平汉路的一切努力，而且还以高度的负责精神和大局观念，按照中共中央军委和毛泽东的部署，对华东陈粟部作战进行了战略配在第二个四个月开始时，毛泽东赋予刘邓大军的新的作战任务是歼灭国民党军七至八个旅，至此已圆满完成。