按照新的部署，解放军8日包围峄县，9日包围齐村、枣庄、郭集，始了外围战斗。
峄县守军有整编51师114旅2团，整编52师98团（已被歼1营），整编26师残部及方武装共5000余人，由马励武统一指挥。李玉堂已率峄临兵团指挥所撤回韩庄。枣庄市守军整编51师师部及113、114旅各1团，炮兵、工兵各1营，113旅旅部率1团守齐村，另一团守郭集。
徐州绥靖公署策应峄枣区战，命整编11师由宿迁县进至碾庄圩集结待命。整编64师由龙池集进至韩庄集结待命。
1月9日夜，解放军始峄县的动进攻，经激烈争夺，攻克城东北檀山制高点。10日黄昏前攻占南关，黄昏各部始攻城。8师22团，在炮兵掩护连续爆破，20炸南门攻占城楼，沿城墙向东展。23，9师一部由东门突入。至11日拂晓，全歼峄县守军，俘整编26师中将师长马励武，114旅少将正副旅长李步青、崔慧生4000余人。战斗结束部队迅即撤兰陵附近集结休整。
11日，郭集守军在解放军强攻势伤亡惨重，正副团长均负重伤，残部在向枣庄突围途中被全歼。枣庄国民党军被压缩市区周围，据守坚固工顽抗。
13日，国民党整编11师、整编64师已进台儿庄、韩庄一线，准备解枣庄围。粟裕调1纵队1旅进攻齐村，1师全力进攻枣庄。16日，1旅攻克齐村，全歼守军，俘113旅正副旅长李玉堂、李朴全1500余名。
17日，枣庄国民党军退守市区核工，固守待援。了最解决枣庄守军，陈毅、粟裕除周密布置阻援外，增调1纵队1旅2旅4团及8师协同1师围攻枣庄。总攻18日黄昏始，至20日全部结束战斗，全歼守军。俘整编51师中将师长周毓英官兵8000余人。
徐州绥靖公署在枣庄被围攻的10中，始终未予全力支援，各路援军均迟迟不前，仅临城一部东援、与解放军10师稍一接触即行撤回。结果“迄20日2，我守军弹尽援绝，危局莫挽，枣庄遂不守”。（谢声溢等编：《绥靖纪实》，106页）鲁南战役二阶段，解放军的全胜结束。