9月3日下午，赵锡田整3师进入大、小杨湖，修筑工事。当日夜，刘伯承指挥部队迅速回师，马上形成包围圈，于当夜23时30分，对整3师发起了进攻。战役的重点是首先歼灭进入到大杨湖地区的整3师主力20旅。
整个定陶战役进行得极其紧张。9月3至4日，整3师在飞机、坦克的配合下，顽强抵抗，解放军仅歼敌约3个营。5日傍晚，刘伯承和李达乘坐刚刚缴获的美式吉普车，来到野战军第6纵队司令部前线指挥所，召集各纵队领导开会，重新调整作战部署。刘伯承决定，就在当夜对整3师发起总攻击。他强调：我军在战术上必须集中兵力，猛打猛攻，不给敌人以喘息的机会。
由王近山副司令员指挥的6纵主攻大杨湖的整3师主力59团，陈锡联司令员指挥的3纵围歼申倪砦的敌人，杨勇司令员指挥的7纵围歼方车王的敌人，陈再道司令员指挥的2纵阻击可能增援整3师的国民党军41师和47师，同时负责警戒和堵截可能突围逃跑的敌人。
各位战将立即扬鞭催马返回部队，依刘伯承命令调整部署，准备总攻。
为了不失时机地指挥部队作战，刘伯承在会后留在了第6纵队司令部前线指挥所。
电话铃响了。王参谋立刻拿起话筒，然后递给刘伯承说：“首长！前方指挥所王司令员请你讲话。”
王近山副司令员到达距离敌人驻扎的大杨湖村只有1华里远的指挥所以后，打来电话向刘伯承汇报情况，他说：“一切都准备就绪。”
“好啊！要告诉全体指战员，想侵占我们冀鲁豫解放区的这个敌人，现在被我们咬住了，我们一定要坚决吃掉他！”
接着，刘伯承又幽默地说：“这一仗如果不能消灭敌人，冀鲁豫就会被敌人占领，我们今后作战就会有很大困难。你们还得背着小包袱上太行山啊！”
王近山非常激动地回答：“请首长放心，我们一定完成任务！”
刘司令员亲自到前线指挥的消息，迅速在前线部队传开了，大大鼓舞了指战员的斗志。战士们兴奋地说：“刘师长来了，这一下，敌整3师，是磨道里赶驴——没跑了！”
12点30分，炮声突然打破了寂静的夜空，紧接着，机枪声、手榴弹的爆炸声响彻夜空。
至天色微明时，激烈的村落战在大杨湖展开。6纵已经有6个团打进大杨湖。整3师主力59团，被我军压缩到这个只有400户人家的村庄的一个角落里。敌人已经十分狼狈了。但是，我军的子弹打光了，手榴弹快没有了，干部战士也有些伤亡，再加上垂死挣扎的敌人继续进行着反突击，我军再向前发展一步都很困难。
刘伯承接着一个个不断打来的电话，然后把自己了解到的敌人情况，及时告诉给在大杨湖指挥作战的王近山：“赵锡田已经没有力量了，他在天爷庙的师部只能派出两个步兵连、几辆坦克增援大杨湖，企图掩护大杨湖的敌人撤退。敌人全体崩溃的形势来到了，这是我们最后胜利的时刻。敌人的伤亡也很大，子弹也要打光了。在大杨湖的敌人59团代理团长吴耀东，向他的旅部求援说，他只能再坚持15分钟，如果15分钟援兵不到，他就要自杀。这说明敌人的指挥人员已经失掉了坚持战斗的信心。”
听到刘伯承通报的敌情，苦战了一整夜的我军将士，疲倦和一切困难立刻都被抛到九霄云外去了。王近山组织了对仍在顽抗的敌人的最后一次攻击。
炊事员、饲养员、机关干部都统统组织起来投入战斗，指战员们用从敌人尸体上捡来的手榴弹、子弹，用带血的刺刀，以排山倒海之势，迅猛地冲向敌人的阵地。
5分钟，仅仅用了5分钟，敌人就屈服了，缴械投降了。吴耀东还没来得及遵照其主子的命令杀身成仁，就被我军的一个战士从桌子底下拉了出来，做了俘虏。
9月6日清晨，太阳渐渐升起，驱散了弥漫大地的茫茫晨雾。
上午9时半，4架美式轰炸机，慢吞吞地飞来，在我军指挥所的上空盘旋侦察，猛然向大杨湖俯冲，昏头昏脑地朝着已经放下武器的国民党俘虏兵胡乱扫射了一阵，匆匆忙忙地溜走了。
在大杨湖的敌人被消灭以后，刘伯承立即指示各个部队注意观察其余敌人的动向。
上午10时，果然传来情报：天爷庙的敌人，企图在飞机掩护下突围，其他村庄的敌人，也有逃走的迹象。
刘伯承立即向部队发布了追击敌人的命令。
天爷庙紧挨着大杨湖。大杨湖的敌人被消灭以后，驻扎在天爷庙的国民党军整3师师部，直接暴露在我军面前。师指挥部要逃走，这反映了敌人在其主力59团被歼灭以后，已经惊慌万状。
由耀武扬威、不可一世而变得心惊胆战的敌人，终于没能逃出我军的包围圈，在我军的追击、围歼下全部落网，连赵锡田也做了俘虏。
当3纵一个连队的党支部书记张景小在天爷庙抓住赵锡田时，只见他脸上抹满了黑灰，自称是“军械主任”，但是，其他俘虏揭穿了这个冒牌货，指出他就是师长赵锡田。这个过去的“英雄”，此时成了狗熊，两条腿如同筛糠一般颤抖不止。
敌整3师既已被歼，刘伯承马上就指挥主力转向西南，向敌47师侧背卷击，该敌旋即溃散，被歼大半。