入城部队按照任务区分，迅速对敌进行穿插、分割和包围。1营1连沿城墙向东进击，夺占了城东南角炮台后，又顺城墙内侧向北，毙伪军30余人，拿下东门，直捣伪省警备大队。2、3连从西、南两侧分别包围了伪省警备大队。
2营入城后，顺南北大街向纵深进击，迅速包围了伪县政府、伪县警备大队和新民会。拂晓前，3营在兰玉良副营长和李廉泉政委带领下，入城后直插城东北角，首先歼灭了日军围寨西侧文庙内的伪军，继而将日军围寨包围起来。
被围之敌没料到我军进展如此迅速，一时惊恐万状，盲目地用迫击炮、掷弹筒向我部队袭击。
东平城在一片喊杀声、枪炮声、爆炸声与火光闪烁之中迎来了黎明的曙光。
此时，7团指挥所进至城内。根据敌我态势，团领导决定，以步、炮、爆（破）密切协同的动作，对敌人进行各个击破。接着，1、2营对所围之敌发起了攻击。
至19日上午，东平城之伪军已基本被解决，只剩下围寨里负隅顽抗的30多名日军。我攻城部队除留下3营及炮兵连攻歼这股日军外，其余部队相继撤至城外集结待命。
日军盘踞的围寨位于东平城东大门里，原来是一个姓王的地主的一所宅院。敌人在宅院四周修筑了围墙，围墙四周各有1个炮楼，中间有座房子，加高了一层，成了中心炮楼，炮楼下面设有暗堡。工事坚固，易守难攻。围墙外是3米宽、三四米深的壕沟，沟外是民房。
18日至19日下午，3营及炮兵连展开了紧张的强攻准备工作：组织分队袭扰日军，掩护部队突击进行土工近迫作业。
我军经过紧张的作业，很快挖成了多方向的交通沟掩体，接近了围寨。炮兵阵地设在壕沟外边的一座破瓦房里，炮手把房墙挖个大洞做射击孔。主攻连7连的突击队隐蔽于壕沟边的几幢民房里。靠近壕边正好有一道旧屋残墙，突击队把残墙铲得很薄，以便发起攻击时推倒冲锋。温团长、徐副参谋长等团的领导分别到各连阵地，检查落实强攻准备情况。
攻击前，徐仲禹和兰玉良在团指挥所，向曾思玉报告了强攻的部署和准备情况，曾思玉向他们交代了注意事项。当时的兵力部署是，7连为主攻连，2排担任突击，1、3排为第2梯队，并组织火力掩护。突破口选在围寨西北角偏南处。9连为第2梯队，并以1个排在围墙西南佯攻。8连在围寨以东佯攻。
19日17时，夕阳西下时分，我军的攻击开始了。9军分区的山炮首发击中西北角敌炮楼。接着，我军山炮、迫击炮连续轰击，敌炮楼很快就出现了好几个大洞。
随着团首长一声令下，各连的冲锋号声马上响彻天空，我主攻连和佯攻连同时在火力掩护下发起攻击。处于枪炮声、呐喊声和硝烟包围之中的日军，弄不清我军虚实，一时惊慌失措，四处胡乱打枪。
隐蔽在壕边残墙后的7连突击队，推倒残墙，越过壕沟，冲至围墙下。7连王万仙副连长指挥梯子组迅速架起了云梯，突击班长温元汝等率先登上围墙。连文化干事牟金光在登上围墙的一刹那被敌机枪打中牺牲。接着，又有四五个突击队员相继中弹掉下梯子。
带伤坚持战斗的指导员石玉昌左右一看，发现梯子还竖在敌两座炮楼中间的围墙垛口上，正冲着敌炮楼的射击孔，即令把梯子移至右边，避开敌人的火力。突击排和2梯队（1、3排）大部越过围寨后，石玉昌命令1个班在围墙上捅个洞，保障后续部队及时跟上。
就在部队向敌人冲击的时候，兰玉良副营长不幸中弹牺牲。当时3营没有营长，跟随7连的徐仲禹副参谋长和营政治委员李廉泉即指挥全营作战。
战斗至深夜，围寨四周的炮楼及寨里房屋全部被我军攻占，敌人大部被歼，只剩下十多名日军在中心炮楼作困兽之斗。
7团领导一边让军分区敌工干事用日语向敌喊话，进行政治攻势，一边组织部队做强攻准备。残敌拒不投降。我军每喊一次话，日军都要向我射击投弹一阵。如此相持了两三个小时。神枪手马清章气火了，举起步枪，“叭叭”两枪，接连打死两名敌军，敌人才老实了一会儿。
最后，团营领导决定消灭这伙法西斯匪徒。为了减少不必要的伤亡，决定用炸药包爆破，让残敌坐“飞机”去见他们的“天皇”。
7连虽在南乐让伪军杨法贤的旅部坐过“飞机”，可是让日军坐“飞机”还是第一次，而且地形条件远不如南乐有利。关键是如何把炸药包放到炮楼上。在1排的“诸葛亮”会上，3班的耿流章和孙保常，自告奋勇担任这一艰巨而光荣的任务。他俩表示：“只要不死，就一定完成任务！”
接着，他俩在火力掩护下，从黑暗处隐蔽向前跃进，很快来到炮楼下，把炸药包放到炮楼门口的一边。但是，由于导火索和雷管衔接不好，第一次爆破失败了。
正当7连组织第2次爆破时，忽听炮楼里传出一片声嘶力竭的号叫声，接着是一声巨响。而后从炮楼里窜出1个捂着肚子的日军。这才知道顽敌在绝望之下集体自杀了。那个跑出来的日本兵，原来是编在日军里的一个朝鲜人，他自称是被迫参战的。
5月20日，我军分区部队又拔除了东平城外最后一个伪军据点——二十里铺。
至此，沦陷7年之久的东平城遂告解放。
东平战役的胜利，极大地威慑了梁山、汶上和宁阳之敌。有些据点的伪军感到危在旦夕，在东平城被克之日便闻风而逃。
这次战役，收复失地725平方公里，使冀鲁豫根据地直抵津浦路，将东部的泰（山）西、运（河）东、运（河）西、湖（微山湖）西连成一片，扩大和巩固了鲁西抗日根据地。
东平战役胜利结束后，冀鲁豫军区乘胜在南、北两线大战果。
在冀鲁豫边区南线，6月18日至27日，第11军分区（湖西）部队和金（乡）单（县）公路沿线之日伪军进攻，摧毁芳桂集、鸡黍集两据点，并将单县出援之敌聚歼于童庙，进而围困单县城。7月3日，攻克丰县，继又将丰（县）砀（山）公路上的蔡楼、黄杏园、刘堤湾、卫湾、陈腰楼、黄井，邑信屯、陆湾、大张寨、赵园等据点，一扫而光，单县伪军在我军攻克丰县城的震撼下，弃城而逃，单县解放。7月8日，伪淮海省省长兼和平救国军司令郝鹏举部3000余人，向我湖西抗日根据地进攻，被我10团、沛（县）铜（山）县大队和湖边支队击溃，毙伤敌200余人，俘郝部1师师长乜廷宾以下300余人。在边区北线，第1军分区部队于5月下旬攻克阳谷城东朱庄、古柳树两据点。7月10日，第7军分区部队袭入堂邑县城，俘伪军104人。11日，我军收复冠县。至此，阳谷县城除向北可与聊城联系外，其余均已处于我军三面威胁之下。
这时，阳谷县城由伪绥靖军第4集团军第9团团部率两个营及伪阳谷县警备大队驻守，伪寿张县警备大队、朝城县警备大队及莘县伪军残部等共3000多人，亦龟缩在阳谷城内。该城工事坚固，1944年日军撤退后，伪绥靖军即大量囤积粮秣，加修工事，做长期固守准备。为了拔掉这个楔入我中心区的孤立据点，军区决定于1945年7月20日以第8军分区（运西）部队为主，第7军分区（鲁西北）部队担任阻击打援，发起阳谷战役。
战斗开始前，根据地中心区各县、区的广大群众，在当地县委书记和县长，区委书记和区长亲自带领下，赶着车辆抬着担架前来支援。20日深夜，第8军分区（运西）主力第7团秘密运动至阳谷城下，做好攻城准备。7月21日2时，我军发起攻城。26日，我集中军分区特务连及第6、7团各一部，向其发起猛烈攻击，伪团长张育焕绝望自杀。至此，阳谷解放。
策应阳谷作战的第7军分区部队，于7月20日再次强攻堂邑县城，至21日全歼守敌，俘伪县长刘玉南以下380余人，占领堂邑。在我军攻势威慑下，巨鹿、广宗、馆陶县之敌纷纷撤逃，我军即收复了以上县城。至此，冀鲁豫边区第1、4、7、8分区间，除聊城至临清一线尚为日伪军盘踞外，其余广大地区已连成一片。