魯南戰役決心定下後，初步計畫是由陳毅、粟裕率山東野戰軍機關指揮第1師、第1縱隊、第8師、第9師、第10師、第4師之第10團及警備旅共27個團，首先殲滅國民黨整編第26師及第1快速縱隊，而後再乘勝殲擊馮治安部整編第77師、整編第59師或整編第51師。由譚震林（時任華中野戰軍政治委員）率輕便指揮機關指揮第2縱隊、第6師、第7師、第9縱隊及第13旅共24個團，在沭陽東西地區組織運動防禦，阻滯南線國民黨軍北進，相機殲敵一部，以保證魯南戰役順利進行，並負責指導華中敵後游擊戰爭。參戰部隊迅速隱蔽北上。
12月27日，陳毅主持召開野戰軍作戰會議，各縱隊及師以上領導幹部參加。會上傳達了中共中央軍委關於魯南戰役的指示，介紹和分析了魯南的敵情：國民黨整編第26師及第1快速縱隊系蔣介石嫡系部隊，全部美械裝備，是魯南敵軍中戰力最強的部隊。
選擇它作為魯南戰役第一階段的打擊對象，是因為它深入解放區比較突出，與其右翼整編第77師和後邊整編第51師相距均達30餘公里；且整編第77師原為西北軍，整編第51師原為東北軍，矛盾很深，互相之間不會積極增援。因此解放軍可以大膽集中絕對優勢兵力，27個團可以全部用上。
會議還研究了具體的作戰部署，決定戰役合圍與戰術分割同時進行。陳毅在講話中特彆強調集中統一指揮的重要性，要求山東和華中野戰軍加強團結、互助學習，密切協同，主動支援。
會後由陳毅、粟裕、譚震林、陳士榘簽發《嶧東作戰計畫》，對魯南戰役第一階段作了具體部署：
（1）以8師、9師、10師、4師（欠2個團）、警備旅編成右縱隊，統由魯中軍區司令員王建安、政治委員向明、魯南軍區政治委員傅秋濤、副司令員郭化若指揮。擔任殲滅石城崮、青山周圍地區敵26師44旅，奪取並控制石城崮、青山陣地，堅決阻擊嶧縣、棗莊可能東援之敵，配合左縱隊由西向東殲擊向城以南地區之敵的任務；另以主力一部首先奪取石龍山陣地，得手後繼續攻取向城，並控制該陣地，分割敵26師169旅與44旅之間的聯繫。第一步任務完成後應派隊協助左縱隊解決26師師部及80旅，並集中主力於傅山口、鵝山、蘭陵之間地區與左縱隊陶師（華中野戰軍第1師，師長陶勇）打通聯繫。
（2）以陶師、1縱編成左縱隊，直歸本部指揮。擔任殲滅敵80旅、快縱及169旅之任務。1縱首先集中主力圍殲卞莊之敵（169旅1個團）；另以得力部隊殲滅向城東南漁溝地區敵炮5團，並阻擊向城、漁溝地區可能東援之敵。第一步任務完成後配合陶師由東向西徹底殲滅敵80旅及169旅殘部。
陶師以一部挺進東房前、小忠村（蘭陵東北10里）與蘭陵、洪山之間地區，相機進佔蘭陵、洪山，並控制該陣地。主力隱蔽控制於小鍋里（向城南20里）、風落以南，魯坊、南橋以北之間地區，負責打通與右縱聯繫，殲擊馮治安部之北援及嶧縣敵之東援，並截擊可能西竄之敵。上述任務完成後，即配合1縱主力殲滅80旅。
（3）3分區部隊擔任確保馬頭、新村沿河陣地，包圍監視長城、鐵佛寺之間敵人並堅決阻擊其東犯之任務，除以主力沿長城、鐵佛寺、溝上集以東、沂河以西地區布置包圍外，應以精幹武裝組織民兵分股挺入蘭陵、邳縣、蘭嶧之間及嶧台以西地區，廣泛開展游擊戰爭，破襲敵軍交通運輸，焚毀敵軍兵站、倉庫，掌握敵縱深情況變化，配合主力作戰，並與向南與紀集一帶的6分區部隊取得密切聯繫。
這個計畫還具體規定了各參戰部隊開進路線、集結位置、後勤供應、彈藥、傷員收容、通信聯絡、注意事項等。要求各部統限於1日拂曉前調整部署完畢，如無特殊情況變化，決定於1月2日夜發起戰鬥，指揮部於2日24時前進至碑住指揮。