国民党军对鲁南的攻势开始后，华东野战军因为主力集中在南线，并希望尽可能保有临沂，最初曾企图在南线诱使对方深入，然后寻歼其一部，打破其进攻。但南线国民党军可能是因为有苏北、鲁南几次失利的教训，此次攻势开始后，行动非常谨慎，二三十万部队在几十里宽的正面，以密集平推方式向北攻击前进，稍遇阻击即停止不前，而且各部互相观望，都不愿过于突出，没有暴露出明显的薄弱环节。在此情况下，华东野战军如果出击，最多也只能击溃对手，而很难达成歼灭目的。北线国民党军虽实力较弱，但因尚未与中共部队实力较量，不知利害，故表现冒进，2月1日开始行动后进展甚速，4日到达莱芜，8日整编第46师已前出至新泰，3个军（师）的兵力脱离胶济路后方支持，沿莱芜、新泰公路自北向南分莱芜、颜庄、新泰三地摆放，形成了一字长蛇阵，处境孤立分散，缺乏互相照应，较有利于分割围歼。陈毅、粟裕研究此种情况后，改变原定作战部署，下决心将华东野战军主力转移至北线，先打北线国民党军，南线只作牵制配合，并不惜放弃临沂。2月10日，华东野战军指挥部发布命令，集中全部9个纵队的优势兵力投入此次作战，其中以4个纵队自临沂北上，3个纵队由胶济路南下，围歼北线国民党军，只以2个纵队在南线担任牵制任务。兵贵神速，当天，南线参战部队即秘密撤离临沂一线，急速北上，北线参战部队也开始向南运动。为了不使国民党军判明华东野战军的真实企图，部队运动采取了严格的保密措施，同时部署南线留守部队在临沂外围伪装主力，节节抗击，迟滞国民党军的进攻。
2月9日，徐州绥署令南线各部向临沂地区攻击前进，企图歼灭当面中共部队，完成鲁南会战任务。在中共主力部队已北移的情况下，南线国民党军因为不明底里，面对中共少量部队的阻击，行动仍较谨慎，直至中共部队主动撤离后，方于15日占领临沂空城，却虚报战果，声称消灭共军数万人。蒋介石为此得意非常，认为形势正按其设想发展，山东决战计划已接近成功，“陈毅已失其老巢，就再不能发生过去一样大的作用了”，“国军占领临沂以后，如果我们计划周密，部队努力，则鲁南、胶东不难收复，以后的问题，都在黄河以北了”。蒋认为中共自临沂主动撤退的说法是不明事实，声称中共“退出老巢，放弃军事重镇，便证明他们是受了严重的打击，不能不出此穷途末路的一着了”。（蒋介石：《剿匪战役之检讨与我军今后之改进》；《先总统蒋公思想言论总集》卷二十二，21页。） 倒是负责指挥北线作战的第二绥靖区司令王耀武得到了中共部队北移的情报，判断“由南向北急进之匪军，应为其主力之转用，显有打击北路兵团之企图”，急令北线各部向胶济路收缩。李仙洲得令后即于16日下令北线3个军（师）依次后撤，以靠近胶济路后方。但国民党军统帅部的判断与王耀武正相反，陈诚认为中共部队“无足顾虑”，已“无力与我军主力作战，有北渡黄河避战的企图”，故命令王耀武坚决执行南北夹击的作战方案，严令李仙洲部回防，否则将以抗命论处。结果李仙洲只得又令正在后撤中的各部重回原地，使部队来回运动，疲于奔命。（《文史资料选辑》第8辑，121页。）临沂至莱芜距离将近200公里，南线华东野战军近10万大军转移北上，在近10天的时间里，不可能不露出种种蛛丝马迹，至少其电信联络可以为国民党军侦听，国民党空军的空中侦查也可以发现种种非常情况。可是在这段时间里，国民党统帅部却始终未能判明中共部队的真实企图，可见国民党军战场情报工作之差，并终将为此付出沉重的代价。
2月19日，李仙洲发现中共大部队出现在其四周，中共部队的动向终于被判明，王耀武等不及南京统帅部的批准即命李部火速后撤，但是国民党军多日来在部署上的动摇与延误，已经注定了李仙洲部的覆灭命运。2月20日，华东野战军首先在莱芜以北歼灭了由博山南下莱芜归建的第73军77师，并封闭了李仙洲部队向北的退路，占领了莱芜城外各要点，完成了对李部的大包围。次日，自新泰北撤之整编第46师到达莱芜，与第73军会合。王耀武认为李部处境孤立，粮弹缺乏，且援军无望，下令李部突围，先北进至吐丝口与第12军新36师会合，再向北靠近胶济路。莱芜至吐丝口之距离不过20余里，王耀武认为以2个军（师）的强大力量，在空军掩护下作短距离战斗前进，绝未料其会失败。但李仙洲本非军事长才，其属下的3个军（师）临时配置成战斗集团，互有矛盾；更关键的是，整编第46师师长韩练成早在1946年冬即面见中共南京代表团负责人董必武，与中共建立了联系。1947年初，山东军区政治部主任舒同亲临第46师驻地，与韩建立了直接联系。战斗开始前，韩练成向华东野战军透露了国民党军的行动部署，并领受了任务；战斗开始后，韩以种种借口拖延部队的行动，在李仙洲接到突围命令后，韩仍坚持准备不及而要求将突围时间推后一日，使华东野战军有了更充分的攻击准备时间，也使李部进一步陷于不利境地；李部突围开始后，韩练成脱离指挥岗位，在中共安排下秘密出走，使得整编第46师指挥混乱，并牵连到李部其他部队。韩练成因是秘密出走，无人知其与中共的关系，后来中共又安排他以突围而出的身份回到南京，居然得到蒋介石的夸奖，安排他为侍从室武官，并以此教训下属向韩学习，使韩得以继续潜伏在蒋身边为中共工作，直至一年多以后方才因暴露而出走香港。国方在情报工作上真可谓不知彼亦不知己。
2月23日晨，李仙洲命令第73军和整编第46师并列出莱芜城向北突围。李部出城后逶迤而行，因行军路线两侧为山地，部队正面狭窄，行军队伍拉得很长，为中共部队提供了极好的攻击机会。华东野战军以1个纵队在李部北进必经之地设伏，另以4个纵队分别部署于李部北进之路两侧，又以迅速动作在李仙洲部刚刚离开莱芜之后即派兵占领莱芜城，切断了李部后路。此时，李仙洲北进之路被堵，后退回城也已不可能，又未派有力部队占领行军路线两侧山地要点作掩护，全军数万人被华东野战军分割包围攻击，无法展开队形，被迫向内收缩至东西六七里、南北三四里的狭小范围内，互相拥挤，指挥大乱，迅速瓦解，4万余人的部队，不过4个小时即被全歼，李仙洲和第73军军长韩浚等多名高级将领被俘。当晚，驻守吐丝口的第12军新36师见态势危险，不得不弃城向胶济路方向退却，又遭华东野战军伏击，大部被歼。而在北线激战之时，南线欧震兵团数十万部队因对华东野战军动向判断不明，在占领临沂后滞留多日未有行动，对下一步主攻方向徘徊不定。当他们最终判明中共部队的意图后，因为距李部太远，根本来不及北上增援。直到23日李仙洲部被歼，徐州绥署才命令南线主力向临沂西北费县、曲阜、汶上、东平等地“进剿”，但已无法挽回莱芜之失。
国民党军统帅部精心策划的鲁南会战，以大张旗鼓地占领中共华东区政治军事中心临沂为其兴高采烈之开端，以无声无息地在莱芜损失7个师（旅）5万余人为其消沉惨淡之收场。这样数万人整装配置的大兵团被歼，实为国民党军自内战开始以来空前之失败，“其对双方战力与士气之消长，影响尔后作战者甚巨，所以此次作战，实为双方在主战场上胜败之转捩点所在”，被蒋介石认为是“国军无上之耻辱”。（《国民革命军战役史第五部——戡乱》第3册，218页。）国防部为此多次举行检讨会报，总结此役得失，结果上下之间对失利责任互相指责。王耀武认为：“共军放弃临沂后，本部即已判断共军必打击我南进兵团，以挽回其颓势，故一再要求机动作战，但层峰因有整个计划，始终未能采纳”；部队“旋进旋退，轻进轻退，举棋不定，措置乖方，涣散了军心，打乱了步骤，以致造成了不可收拾之局”。参谋本部则认为：“第二绥区未能恪遵本部迭次指示，使新泰莱芜我军坚守待援，反饬令其退却，致于半途遭优势匪军截击，蒙受重大损失。”参谋总长陈诚则将失利原因归于前线指挥官的无能与轻敌，事前事后毫无处置，粗疏轻率，致一被袭击即成混乱之局，虽欲展开战斗而不可能。为了维护统帅部的威信，2月24日，蒋介石亲飞济南部署善后，将失利原因推之于下属，认为此次失利“全在于李仙洲司令官指挥部署之错误及其怕敌心理所造成”。他训斥王耀武：莱芜既已被围，你为什么又要撤退，遭到这样大的损失，你是不能辞其咎的；这次你选派的将领也不适当，李仙洲的指挥能力差，如派个能力好的人指挥，还不致失败。（山东省、莱芜市政协文史资料委员会：《莱芜战役纪实》，287、162页，北京，中国文史出版社，1995；《一年来剿匪重要战役之检讨》，39页，军官训练团，1947；《文史资料选辑》第8辑，124—129页。）为了对此次失利作出交代，徐州绥署主任薛岳被免去职务，成了替罪羊。3月3日，国民党下令撤销徐州与郑州绥署，设立陆军总部徐州司令部，由陆军总司令顾祝同坐镇徐州，统一指挥华东战事，另设陆军总部郑州指挥所，由范汉杰担任主任。
在鲁南会战之同时，国民党军在各个战场的进攻均已渐趋停顿。在华北战场北线，国民党军于攻占张家口后，继续向南进攻中共晋察冀根据地，但到1947年2月，对易县的4次进攻均未得手，进攻被迫停止。自5月起，中共晋察冀部队重组野战军，由杨得志任司令员，罗瑞卿任政委，并连续发起正太、青沧、保北战役，攻占了冀晋两省交界处之要点娘子关，控制了正太路大部分路段，切断了津浦路天津至济南段和平汉路北平至保定段。在华北战场南线，1946年12月，王仲廉指挥的整编第26军和王敬久指挥的整编第27军向冀南发起攻势，一度逼近中共晋冀鲁豫根据地的中心城市邯郸。刘伯承、邓小平指挥的晋冀鲁豫野战军遂发起巨金鱼战役，出击鲁西南，调动国民党军自冀南回援，结束了冀南攻势。此后，晋冀鲁豫野战军发动局部反攻，在豫北迫使国民党军收缩到安阳、新乡等少数孤立据点，在晋南则迫使国民党军收缩到临汾、运城两城。在东北战场，自1946年6月停战后维持了4个月的平静局面，在10月被打破。杜聿明根据蒋介石的指示和东北国民党军兵力不足，并须顾忌苏联可能之反应等情况，制定了“南攻北守，先南后北”的作战方针，先集中兵力进攻中共南满根据地，解除北进的后顾之忧，再全力向松花江北的中共北满根据地进攻。10月下旬，东北国民党军开始进攻中共南满根据地，并于10月25日占领安东，11月2日占领通化，达到其攻势的顶点。虽然中共南满根据地的地域大大缩小，领导层内部对是否继续坚持南满根据地也有不同意见，但中共东北局认为坚持南满意义甚大，可以使中共在东北仍能保有广大土地与人口，并可使南北互相依存，使国民党不能全力向北进攻，因此决定在东北实行坚持南满、巩固北满、南打北拉、互相配合的作战方针。中共派东北局副书记陈云兼任辽东（南满）分局书记，领导南满根据地的斗争。从1946年12月中旬到1947年4月上旬，杜聿明先后派兵4次进攻中共南满根据地，但在南满根据地的坚持和北满根据地的配合下，国民党军的进攻未达预期目的，由于兵力不足，至开春后其攻势基本中止。
经过1946年7月至1947年2月的全面进攻，国民党军在向中共控制区推进的过程中，得到了占有地盘之收获，但由于机动兵力的损失及转用于守备，渐渐失去了兵力运用的优势与便捷。随着全面进攻的扩大及其暴露出的问题，国民党军前线指挥官对全面进攻的利弊得失有所检讨。11月15日，参谋总长陈诚主持国防部作战会报，检讨军事形势，提出为争取主动，应取战略攻势、战术守势、分区扫荡的原则，先肃清苏北、鲁南地区，再准备解决刘伯承部主力，进一步再解决聂荣臻部。为此，陈诚专门飞往北平，召集华东、华北、东北各战场主官于18—19日举行秘密会议，总结战争开始以来国民党军进攻之成败得失和经验教训。对于未来的作战方针，陈诚归纳总结为四点：兵力转用免化众为寡，与空军密切协同，发挥特种兵效用，各战区协力。国防部和高级军事将领在作战检讨中认为，“国军因受政略影响及局部状况之诱惑，致将主力逐渐分散于各战场，遂使主战场之陇海方面，无法集注绝对优势及精锐之部队，以致进展迟缓”，建议今后“确实控制战略要点，控置战略机动部队，迅速以围歼匪之主力，不计其他点线得失”。（《中国人民解放军全国解放战争史》第2卷，第263页；《第二期军事小组讨论结论汇集》，军官训练团，1947。）