1946年5月，薛嶽擔任國民黨徐州“綏署”主任，進犯魯南解放區。8月，我軍泗縣戰鬥失利；9月，兩淮失守；10月，嶧縣和棗莊被國軍佔領。11月初，薛嶽令各部從東、北、西、南向解放區大舉“清剿”，魯南危急，蘇北危急。
1946年11月底12月初，為配合國民黨政府召開國民大會，薛嶽擬定了一個分四路進攻魯南、蘇北之我軍的計劃，調集了12個整編師，共28個半旅兵力，目的是切斷我軍山東與華中的聯繫，聚殲其華中主力，在年底以前“結束蘇北戰事”，部署如下：
第一路，徐州綏署副主任吳奇偉指揮，整編第11師協同整編第69師共6個半旅，由宿遷向新安鎮、沭陽進攻；
第二路，徐州綏署副主任李延年指揮，整編第74師、整編第28師、第7軍共7個旅，由淮陰、淮安向漣水進攻，爾後繼續北進阿湖，配合宿遷友軍打通隴海路東段交通，並策應該地郝鵬舉部反正；
第三路，第一綏區李默庵指揮，整編第65師、第83師、第25師共6個旅，由東台向鹽城、阜寧進攻；
第四路，薛嶽親自指揮，整編第26師、第51師、第59師、第77師共9個旅，由嶧縣、棗莊、台兒莊地區向臨沂、郯城進攻。
各路大軍進攻時間，統限於1946年12月13日開始。
打是不打？何時打？怎麼打？這時陳毅在魯南郯城，正密切注視着戰局的發展，運籌着我軍的作戰行動。他從12月3日到7日，接連提出五個作戰方案，上報中央並徵詢粟裕的意見。
接到陳毅的五個作戰方案時，粟裕結合當時情況，進行了研判，認為在四路敵軍中，以宿遷進攻新安鎮、沭陽這一路，對華中野戰軍的威脅最大。只有集中主力殲滅這一路，才能取得主動。
12月9日，陳毅復示，決定親率山東野戰軍第1縱隊葉飛部和第8師何以祥部，於當夜移到郯城縣碼頭鎮以西地區，兼顧打擊魯南之敵，如需南下殲擊宿沭地區之敵，兩夜即可趕到。這樣，集中兵力，先打宿沭一路敵人的決心，基本上定下來了。
12月11日下午，鹽城戰鬥結束，軍委來電“慶祝鹽城大勝”，要求粟裕即刻北上。
粟裕當晚出發，只帶1名警衞員，騎馬由鹽城連夜出發，於12月12日到達陳毅處。
粟裕認為：當時敵人對我形成半包圍態勢，敵軍下一步的動向尚不明朗，我軍集中兵力，尋殲敵一路的戰機尚未出現，而華中解放區僅剩下四城，南線之敵向漣水、鹽城等地推進，企圖奪取上述四城，進一步迂迴、壓縮我們。我們必須打破敵人這一計劃，開拓戰場。
在作戰指導中要注意處理好第一仗與第二仗、第三仗的關係，打第一仗要為第二仗、第三仗創造條件。須知我們兵力集中了，敵人兵力也更加集中。如果戰場被壓縮得太狹窄，面對敵人攻擊時，我軍缺乏迴旋餘地，就更被動了。至此，兩支野戰軍的司令員會合，確定了要打的第一仗，即宿北戰役。
陳、粟決策，集中山東第1、第2縱隊，山東八路軍野戰第8師及第7師5旅，華第9縱隊，共24個團的兵力，對敵人發起一個反擊戰役。另以第6師及第7師1個旅，第7、第10縱隊及第13旅，魯南第10師及濱海警備旅等部共20多個團的兵力，分別鉗制其他三路進攻之敵。
除此之外，調華中新四軍第1師，由鹽城北上，參加宿遷、沭陽方向作戰。
我軍這次作戰，決心打擊敵人進犯的第一路，共兩個整編師。
整編第69師，原為國軍第99軍，為薛嶽舊部。該師裝備不強，缺乏重武器，且“部隊風紀不嚴，駐地人民均極憎恨”。這是個中央軍裏的雜牌軍，1946年7月初和8月，該師兩次被我軍打擊，一個半旅被殲滅，只剩下了整編第60旅，整編第92旅之276團，師部直屬部隊。後來，該師補充了預備第三旅、整編第41旅，國防部工兵第5團，湊夠了三個旅編制，全師約三個半旅 2.2萬餘人。
師長戴之奇，貴州興義人，黃埔二期，後又再次畢業於陸軍大學，中將軍銜。他參加過北伐，抗戰中率部參加了淞滬會戰、鄂西會戰、常德會戰等，歷任團長、旅長、副師長、第18軍副軍長，青年軍201師師長、青年軍第六軍副軍長。
整編11師，甲種師，步兵三旅九團制，師部直屬部隊配屬炮兵第15團及炮兵第25團一個營，工兵營，輜重營，搜索營，通訊營，戰車連等5000餘人，總兵力達到了將近4萬人左右。
師長鬍璉，陝西渭南人，黃埔四期，國軍悍將，猛如虎，狡如狐，帶兵打仗很有一套，深得老蔣器重。該師火力強大，士兵訓練有素，大多數都是身經百戰的老兵，縱橫中原戰場鮮有敵手，保持着非勝即平的記錄。
13日晚，陳、粟查明國軍的進攻部署，決定先阻擊國軍，在適當時機將敵人分割，集中優勢兵力圍殲整69師，視情況再擴大戰果。當即命令山東1縱、8師等主力，日夜兼程南下，隱蔽地向指定地區開進。
我軍各部隱蔽開進：第1縱隊、第8師按原計劃於15日拂曉前，進到新安鎮西南地區集結；第7師第5旅於15日拂曉前，進至西鮑圩，並準備西渡沭河，控制宿新公路峒鎮地區；第2縱隊於15日拂曉前進到韓集、泰山集地區；第9縱隊堅守五花頂、葉海子、來龍庵等既設陣地、遲滯敵前進，掩護主力開進；第1師晝夜兼程北上，準備參戰。
12月14日全天，預備第3旅沿公路進攻，遭第九縱隊一部反擊後，縮回嶂山鎮。整第60旅進至羅莊、博家湖地區。整第41旅進至邵店，並以一部兵力東犯葉海子，為第九縱隊一部所阻。
與此同時，右路第118旅攻擊我軍小牌坊、來龍庵陣地，被第九縱隊一部擊退，胡璉率師直及第18旅，進至曹家集地區，第11旅在宿遷。至此，國軍已經完成了戰鬥部署，呈扇形展開，正面、縱深約為25公里左右，其後方補給僅宿遷一點。
此時胡璉與戴之奇，包括吳奇偉、薛嶽，對我軍尚未發覺，急於按預定的時間搶佔沭陽和新安鎮，這正是陳粟割裂其戰鬥隊形、各個予以殲滅的大好時機。為使主攻部隊的戰前準備工作更加充分，保持戰役發起的最大突然性，給敵以出其不意的攻擊，又將戰役發起時間推遲到15日晚。
我軍部署，一是先打弱敵。二是秘密接敵，突然攻擊，乘敵在運動中和立足未穩之際予以殲滅。三是四面包圍，兩面夾擊，穿插分割，各個殲滅。
15日黃昏，我軍乘整69師翼側暴露，各師旅之間出現較大間隙之際，秘密而突然地發起攻擊，主要突擊方向指向該師左側後。當夜，第1縱隊一部包圍了曉店子之敵，主力以勇猛迅速的動作，由曉店子、井兒頭之間楔入井兒頭、曹家集之間。
這一攻擊完全出乎敵意料，僅戰鬥一小時，即殲滅工兵營和騎兵營大部，並一度攻至曹家集土圍，距整11師師部僅二、三百米，把胡璉打得惶惶不安，不知所措。第8師以兩個團與敵69師預備第3旅一部徹夜激戰，向烽山守軍連續進行了四次猛烈衝擊，終於在拂曉前突破了三道陣地和兩道副防禦工事，佔領了烽山，殲滅了第69師預備第3旅一個加強營，在國軍整個部署中打開了一個缺口。第7師第5旅及第9縱隊一部佔領了嶂山鎮以北及以東陣地。
烽山是戰場制高點，是進攻或防禦的重要依託，此處得失對戰役全局影響甚大，粟裕令第八師不惜任何代價，守住烽山。16日全天，預備第3旅和第60旅以約兩個團的兵力，在飛機和炮兵火力的支援下，向烽山陣地多次猛烈反撲，第8師一部頑強堅守和積極反擊將敵擊退。
為了全殲敵人，粟裕又令第8師接替第1縱隊第2旅，負責圍殲曉店子守敵預備第3旅的任務；第1縱隊全力由烽山、曉店於之間向東，往敵之縱深突擊，割裂敵人兩個師之間的聯繫；第2縱隊向高圩、李圩攻擊。16日晚，第1縱隊即果敢勇猛地楔入敵縱深，佔領了高家窪、傅家湖一線，一部插入曉店子以南，佔領三台山，切斷了被圍敵人的退路，同時阻擊增援；第7師的第5旅及第9縱隊一部，趁邵店第41旅西竄之機，搶佔了李莊、高莊等地，切斷了該旅與其師部的聯繫。此時，整編第69師已陷入重圍。
17日，胡璉令第11旅、第18旅，在飛機、炮兵火力掩護下，由井兒頭、曹家集等地向共軍蔡林、張林、高家窪一線阻擊陣地進行了連續猛烈攻擊，企解整編第69師之圍，但在第1縱隊一部兵力的頑強阻擊下，激戰終日，敵傷亡很大，未能得逞。
接着我軍又從傅家湖以南迂迴到第18旅右翼，第18旅撤回。當日18時，第8師對曉店子守軍發起攻擊，在炮火準備後，僅用25分鐘即突破防禦陣地，並在5個小時內全殲了預備第3旅。
被圍敵人繼續收縮兵力，企圖固守待援。粟裕不給其喘息機會，即令第1、第2、第9縱隊及第7師的第5旅等部主力，向被於人和圩、苗莊、羅莊等地進行逐點攻擊，分割包圍敵人，力求殲滅。各部雖給以重大殺傷，但當日進展不大。
18日，整編第11師再次全力北援，又被第1縱隊和第8師各一部所擊退。此時，胡璉見增援無望，即以飛機掩護李莊、羅莊之第60旅倉皇突圍，共軍立即勇猛出擊，將其全殲。人和圩守軍突圍未成，心理發生動搖，第2縱隊和第9縱隊經充分準備後，於黃昏發起總攻，迅速突入圩內，戰至午夜，全殲殘敵，師長戴之奇自殺，副師長饒少偉被俘。
19日上午，困守苗莊之第41旅分兩股向南北突圍，除300餘人逃跑外，全被殲滅。至此，敵人全軍覆滅，殲21000餘人，繳獲各種火炮119門及大批彈藥。
我軍參戰各部的傷亡：
山野1縱，2470人；
山野2縱，1372人；
山野7師5旅，2182人；
山野8師，1270人；
華中9縱，1387人；
以上合計8681人。
毛主席18日來電，“慶祝宿沭前線大勝利，望對一切有功將士傳令嘉獎”，20日又來電指出：“殲敵二萬以上，於大局有利，甚好甚慰。”
粟裕在他的戰爭回憶錄中，説到宿北戰役時，他心情非常緊張。眾所周知，粟裕一向以善打硬仗險仗而著稱，為何獨獨一個宿北戰役，讓他用兵如此慎重，心情又如此緊張呢？
原因是前一階段，泗縣失利、兩淮失守，“戰事進展不算順利，部分同志產生了一些埋怨和懷疑情緒”。顯然，解決這些問題，光做思想政治工作是遠遠不夠的，真正解決這些問題、統一大家思想還是要靠打勝仗來實現。
這次隻身北上指揮作戰，粟裕深感壓力和責任巨大，第一仗對粟裕來講，只能打勝，絕不能打敗。光這些問題還好，具體到宿北戰役指揮上來講，粟裕的壓力遠不止於此，至少還有以下幾個難處：
第一個是對交戰的敵手不怎麼熟悉。 知彼知己，百戰不殆。然而這次作戰，對於粟裕來講，“許多部隊都是新交手”。
第二個是對戰場的環境不怎麼熟悉。他抗戰以來一直戰鬥在蘇南、蘇中，後又南下蘇浙不到一年時間。解放戰爭開打後，主要也是戰鬥在蘇中，對“淮海地區的民情、地形諸情況”，基本上不了解。
第三個是對依託的機關不怎麼熟悉。“兩個野戰軍合併後，指揮機關尚未統一”。粟裕是“隻身前來”，“對司令部工作的同志也是生疏的”。
第四個是對指揮的部隊不怎麼熟悉。
最終，粟裕頂住了壓力，恪盡了職責，沒有辜負中央軍委的高度信任。通過精心的籌劃組織，通過高超的戰場指揮，確保了宿北戰役完勝，創造瞭解放戰爭一次殲敵新的紀錄。