按照新的部署，解放軍於8日包圍嶧縣，9日包圍齊村、棗莊、郭里集，開始了外圍戰鬥。
嶧縣守軍有整編第51師第114旅2個團，整編第52師第98團（已被殲1個營），整編第26師殘部及地方武裝共5000餘人，由馬勵武統一指揮。李玉堂已率嶧臨兵團指揮所撤回韓庄。棗莊市守軍為整編第51師師部及第113、114旅各1個團，炮兵、工兵各1個營，第113旅旅部率1個團守齊村，另一個團守郭里集。
徐州綏靖公署為策應嶧棗地區作戰，命整編第11師由宿遷縣進至碾庄圩集結待命。整編第64師由龍池集進至韓庄集結待命。
1月9日夜，解放軍開始對嶧縣的發動進攻，經過激烈爭奪，攻克城東北檀山制高點。10日黃昏前攻佔南關，黃昏後各部開始攻城。第8師第22團，在炮兵掩護下連續爆破，於20時炸開南門攻佔城樓，沿城牆向東發展。23時，第9師一部由東門突入。至11日拂曉，全殲嶧縣守軍，俘整編第26師中將師長馬勵武，第114旅少將正副旅長李步青、崔慧生以下4000餘人。戰鬥結束後部隊迅即撤到蘭陵附近集結休整。
11日，郭里集守軍在解放軍強大攻勢下傷亡慘重，正副團長均負重傷，殘部在向棗莊突圍途中被全殲。棗莊國民黨軍被壓縮到市區周圍，據守堅固工事頑抗。
13日，國民黨整編第11師、整編第64師已進到台兒庄、韓庄一線，準備解棗莊之圍。粟裕調第1縱隊第1旅進攻齊村，第1師全力進攻棗莊。16日，第1旅攻克齊村，全殲守軍，俘第113旅正副旅長李玉堂、李朴全以下1500餘名。
17日，棗莊國民黨軍退守市區核心工事，固守待援。為了最後解決棗莊守軍，陳毅、粟裕除周密布置阻援外，增調第1縱隊第1旅和第2旅第4團及第8師協同第1師圍攻棗莊。總攻於18日黃昏開始，至20日全部結束戰鬥，全殲守軍。俘整編第51師中將師長周毓英以下官兵8000餘人。
徐州綏靖公署在棗莊被圍攻的10天中，始終未予全力支援，各路援軍均遲遲不前，僅臨城一部東援、與解放軍第10師稍一接觸即行撤回。結果「迄20日2時，我守軍彈盡援絕，危局莫挽，棗莊遂不守」。（謝聲溢等編：《綏靖紀實》，第106頁）魯南戰役第二階段，以解放軍的全勝而結束。