但为时已晚。
12日3时，1纵自郓城向东南穿插至巨野、嘉祥以南地区，切断了整32师（驻独山集，巨野以南，金乡西北7、8公里）与整66师（驻羊山集，金乡西北15公里）和整70师（驻六营集，巨野东南15公里）之间的联系。6纵自定陶向东与1纵对进，协同围歼整32师。2纵、3纵则分别自曹县和汶上集出动，钳击羊山集之整66师。
首当其冲的整32师觉察情况不妙后，即放弃独山集向西北整70师驻守的六营集靠拢。但沿途遭到1纵部队猛烈袭击，师部及141旅于13日傍晚进入六营集，其139旅在薛扶集附近被1纵、6纵各一部合力歼灭。
六营集为一仅有200余户人家的小村落，且缺粮少水，无法供2个整编师持久驻守，整32师和整70师乃于14日晚向济宁方向突围，结果大部被歼，整32师师长唐永良侥幸逃脱，整70师师长陈颐鼎被俘。此次战斗，国民党部队2个素质尚可的整编师未经剧烈战斗，即在三天多时间内于运动中被歼，损兵1.9万余人。
六营集作战的同时，驻守羊山集的整66师宋瑞珂部亦于13日凌晨被刘邓2纵、3纵包围。14日，王敬久转达蒋介石指示，要整66师突围，但宋瑞珂以所部负伤官兵较多，突围即无法全部带走，今后无颜带兵，因此决心固守待援。
整66师系陈诚“土木系”主力部队之一，战斗力较强，且早从7月8日进驻羊山集起即积极构筑工事，故2纵、3纵打得相当艰苦。这2个主力纵队从15日开始攻击，战至17日仍无大的进展，且伤亡不小。19日，6纵16旅亦投入战斗。晋冀鲁豫野战军榴弹炮营和1纵炮团也相继加入作战，解放军的兵力优势达到了10∶3。即便如此，解放军仍打到28日才最终攻克羊山集。整66师1.4万人被歼，师长宋瑞珂被俘。
鲁西南战役掀起了反攻序曲中的高潮。在历时28天的战斗中，刘邓大军歼敌4个整编师部9个半旅5.6万人，打掉了国民党军在豫鲁边地区最主要的机动兵力，为此后跃进大别山减轻了负担，同时也为华东主力转进中原打开了门户。
但这也就是刘邓大军在淮海决战之前最后的辉煌了，因为接下来的千里跃进大别山和一年多的艰苦转战，将把这支骁勇善战的大军耗得筋疲力尽。
