軍參謀長陳士榘、政治部主任唐亮率第三、第八、第十縱隊組成的右路兵團；向魯西的泰安、大汶口方向挺進；陳毅和粟裕直接指揮第二、第六、第七、第九縱隊和特種兵縱隊集結在沂水、悅莊公路兩側；各以少部兵力與北犯之敵接觸；主力待機出擊。此作戰部署於七月一日開始執行。
這就是華東野戰軍戰史上著名的“七月分兵”。
“七月分兵”導致了一系列作戰不利的後果；因此也成為華野戰史上頗具爭議的軍事行動之一。
從當時戰場局勢上分析；毛澤東在大敵當前的情況下；違反一貫主張的集中優勢兵力打殲滅戰的軍事原則；冒著被各個擊破的危險而採取分兵出擊的舉動；無疑是配合劉鄧大軍強渡黃河出動中原所必須。山東戰場的大規模作戰勢必牽制國民黨軍；抑或造成國民黨軍為增援而進行頻繁調動；若能在機動中尋機大量殲敵將是對劉鄧大軍最有利的配合。但是；毛澤東擔心的是時間：劉鄧大軍的出動時間已無法更改；必須按時對其進行強有力的軍事配合；而陳粟大軍目前還無法預測戰機到來的時間。劉鄧大軍已是不能等待。
六月二十八日；葉飛、陶勇的左路兵團出發了。天降大雨；官兵在泥濘中向魯南奔襲五百華里；深深地插入了國民黨軍的側後。十天之後；左路兵團開始攻擊費縣；一夜之間便將國民黨守軍全殲。天亮的時候；國民黨軍的飛機來了；密集的炸彈把費縣炸得天翻地覆。轟炸給共產黨攻擊部隊造成傷亡。
左路兵團接著攻擊棗莊和嶧縣；葉飛和陶勇同時對兩座縣城實施攻擊；導致本不充裕的兵力被分散；加上攻城器材嚴重缺乏；彈藥也因連日大雨被淋溼而失效；結果持續了整整四天的攻擊毫無效果。葉飛和陶勇決定放棄鄒縣；集中主力全力攻擊滕縣；但國民黨軍七個整編師已增援而來。左路兵團只有迅速撤離戰場。
右路兵團的任務是攻擊濟寧和汶上。
濟寧守軍為國民黨整編七十二師全部以及整編六十六、七十師各一個團；總兵力達兩萬餘人。三縱八師奉命對內城實施攻擊；守軍的炮火出奇的猛烈；城中街道狹窄；共產黨官兵缺少防炮經驗；不會在街道中築起防禦工事；結果傷亡巨大。在東南角攻擊的九師一度攀登成功；突進城內七個連；但很快遭到守軍的猛烈反擊；突進去的部隊被壓縮在城內一角。守軍集中炮火封鎖突破口；攻擊的後續部隊無法增援；結果突進去的七個連的官兵全部戰死。
濟寧一戰；三縱傷亡達三千二百餘人。
小小的汶上縣城；十縱連續攻擊六天未下。
作戰嚴重失利的還有陳毅、粟裕親自指揮的由第二、第六、第七、第九縱隊和特種兵縱隊組成的正面部隊。
南麻；魯中山區的一個小小的盆地；一個令華野官兵刻骨銘心的地方。
駐守南麻的是國民黨軍“五大主力”之一整編十一師。全師裝備精良；訓練有素；在宿北戰役、魯南戰役、萊蕪戰役和孟良崮戰役中都曾與共產黨軍隊交手；從未吃過大虧。師長鬍璉以作戰勇猛又工於心計聞名；胡璉作出十分周密的防禦部署；在胡璉的命令下；南麻四周方圓五公里的範圍內；所有重要據點都修築了以子母堡壘為中心的工事。這些隱蔽而堅固的工事依地形呈不規則形狀；各地堡之間都有交通壕相聯；交通壕上蓋有厚厚的土石足以抵擋炮火的打擊。每一處陣地前五百米內；所有的樹木和莊稼都被砍光。在子母堡壘外圍；設有三至四道鹿砦和鐵絲網；還埋下了大量的地雷。由兩千多個子母堡壘組成的南麻防禦體系築成之後；胡璉還組織了一次抗攻擊演練；演練結束後他致電蔣介石；聲稱整編十一師是一座攻不破、摧不毀的堡壘。
從兵力上講；陳毅和粟裕佔據絕對優勢。
七月十七日；暴雨。近敵行動因惡劣天氣而受阻。十