9月3日下午，趙錫田整3師進入大、小楊湖，修築工事。當日夜，劉伯承指揮部隊迅速回師，馬上形成包圍圈，於當夜23時30分，對整3師發起了進攻。戰役的重點是首先殲滅進入到大楊湖地區的整3師主力20旅。
整個定陶戰役進行得極其緊張。9月3至4日，整3師在飛機、坦克的配合下，頑強抵抗，解放軍僅殲敵約3個營。5日傍晚，劉伯承和李達乘坐剛剛繳獲的美式吉普車，來到野戰軍第6縱隊司令部前線指揮所，召集各縱隊領導開會，重新調整作戰部署。劉伯承決定，就在當夜對整3師發起總攻擊。他強調：我軍在戰術上必須集中兵力，猛打猛攻，不給敵人以喘息的機會。
由王近山副司令員指揮的6縱主攻大楊湖的整3師主力59團，陳錫聯司令員指揮的3縱圍殲申倪砦的敵人，楊勇司令員指揮的7縱圍殲方車王的敵人，陳再道司令員指揮的2縱阻擊可能增援整3師的國民黨軍41師和47師，同時負責警戒和堵截可能突圍逃跑的敵人。
各位戰將立即揚鞭催馬返回部隊，依劉伯承命令調整部署，準備總攻。
為了不失時機地指揮部隊作戰，劉伯承在會後留在了第6縱隊司令部前線指揮所。
電話鈴響了。王參謀立刻拿起話筒，然後遞給劉伯承說：「首長！前方指揮所王司令員請你講話。」
王近山副司令員到達距離敵人駐紮的大楊湖村只有1華里遠的指揮所以後，打來電話向劉伯承彙報情況，他說：「一切都準備就緒。」
「好啊！要告訴全體指戰員，想侵佔我們冀魯豫解放區的這個敵人，現在被我們咬住了，我們一定要堅決吃掉他！」
接著，劉伯承又幽默地說：「這一仗如果不能消滅敵人，冀魯豫就會被敵人佔領，我們今後作戰就會有很大困難。你們還得背著小包袱上太行山啊！」
王近山非常激動地回答：「請首長放心，我們一定完成任務！」
劉司令員親自到前線指揮的消息，迅速在前線部隊傳開了，大大鼓舞了指戰員的鬥志。戰士們興奮地說：「劉師長來了，這一下，敵整3師，是磨道里趕驢——沒跑了！」
12點30分，炮聲突然打破了寂靜的夜空，緊接著，機槍聲、手榴彈的爆炸聲響徹夜空。
至天色微明時，激烈的村落戰在大楊湖展開。6縱已經有6個團打進大楊湖。整3師主力59團，被我軍壓縮到這個只有400戶人家的村莊的一個角落裡。敵人已經十分狼狽了。但是，我軍的子彈打光了，手榴彈快沒有了，幹部戰士也有些傷亡，再加上垂死掙扎的敵人繼續進行著反突擊，我軍再向前發展一步都很困難。
劉伯承接著一個個不斷打來的電話，然後把自己了解到的敵人情況，及時告訴給在大楊湖指揮作戰的王近山：「趙錫田已經沒有力量了，他在天爺廟的師部只能派出兩個步兵連、幾輛坦克增援大楊湖，企圖掩護大楊湖的敵人撤退。敵人全體崩潰的形勢來到了，這是我們最後勝利的時刻。敵人的傷亡也很大，子彈也要打光了。在大楊湖的敵人59團代理團長吳耀東，向他的旅部求援說，他只能再堅持15分鐘，如果15分鐘援兵不到，他就要自殺。這說明敵人的指揮人員已經失掉了堅持戰鬥的信心。」
聽到劉伯承通報的敵情，苦戰了一整夜的我軍將士，疲倦和一切困難立刻都被拋到九霄雲外去了。王近山組織了對仍在頑抗的敵人的最後一次攻擊。
炊事員、飼養員、機關幹部都統統組織起來投入戰鬥，指戰員們用從敵人屍體上撿來的手榴彈、子彈，用帶血的刺刀，以排山倒海之勢，迅猛地沖向敵人的陣地。
5分鐘，僅僅用了5分鐘，敵人就屈服了，繳械投降了。吳耀東還沒來得及遵照其主子的命令殺身成仁，就被我軍的一個戰士從桌子底下拉了出來，做了俘虜。
9月6日清晨，太陽漸漸升起，驅散了瀰漫大地的茫茫晨霧。
上午9時半，4架美式轟炸機，慢吞吞地飛來，在我軍指揮所的上空盤旋偵察，猛然向大楊湖俯衝，昏頭昏腦地朝著已經放下武器的國民黨俘虜兵胡亂掃射了一陣，匆匆忙忙地溜走了。
在大楊湖的敵人被消滅以後，劉伯承立即指示各個部隊注意觀察其餘敵人的動向。
上午10時，果然傳來情報：天爺廟的敵人，企圖在飛機掩護下突圍，其他村莊的敵人，也有逃走的跡象。
劉伯承立即向部隊發布了追擊敵人的命令。
天爺廟緊挨著大楊湖。大楊湖的敵人被消滅以後，駐紮在天爺廟的國民黨軍整3師師部，直接暴露在我軍面前。師指揮部要逃走，這反映了敵人在其主力59團被殲滅以後，已經驚慌萬狀。
由耀武揚威、不可一世而變得心驚膽戰的敵人，終於沒能逃出我軍的包圍圈，在我軍的追擊、圍殲下全部落網，連趙錫田也做了俘虜。
當3縱一個連隊的黨支部書記張景小在天爺廟抓住趙錫田時，只見他臉上抹滿了黑灰，自稱是「軍械主任」，但是，其他俘虜揭穿了這個冒牌貨，指出他就是師長趙錫田。這個過去的「英雄」，此時成了狗熊，兩條腿如同篩糠一般顫抖不止。
敵整3師既已被殲，劉伯承馬上就指揮主力轉向西南，向敵47師側背卷擊，該敵旋即潰散，被殲大半。