一部做试探性突围；次日国军即发动大举突围，解放军随即占领莱芜，并截断了国军北撤的道路。同时，解放军埋伏在国军两翼的军队对行进中的国军发起勐攻。五万多国军被包围在芹村、高家洼东西仅三四公里、南北仅一二公里的狭小地域。这时，与解放军有联系的国军第46军军长韩练成在解放军安排下策应解放军行动，在国军突围一开始，就离开了指挥位置，导致了国军的更大混乱。粟裕下令解放军不断缩小包围圈，同时对国军实施密集的炮火突击。解放军对国军进行穿插，乘乱分割国军。 2月23日下午5时，李仙洲集团全军覆没，李仙洲被俘，莱芜战役结束。