鲁南战役决心定下后，初步计划是由陈毅、粟裕率山东野战军机关指挥第1师、第1纵队、第8师、第9师、第10师、第4师之第10团及警备旅共27个团，首先歼灭国民党整编第26师及第1快速纵队，而后再乘胜歼击冯治安部整编第77师、整编第59师或整编第51师。由谭震林（时任华中野战军政治委员）率轻便指挥机关指挥第2纵队、第6师、第7师、第9纵队及第13旅共24个团，在沭阳东西地区组织运动防御，阻滞南线国民党军北进，相机歼敌一部，以保证鲁南战役顺利进行，并负责指导华中敌后游击战争。参战部队迅速隐蔽北上。
12月27日，陈毅主持召开野战军作战会议，各纵队及师以上领导干部参加。会上传达了中共中央军委关于鲁南战役的指示，介绍和分析了鲁南的敌情：国民党整编第26师及第1快速纵队系蒋介石嫡系部队，全部美械装备，是鲁南敌军中战力最强的部队。
选择它作为鲁南战役第一阶段的打击对象，是因为它深入解放区比较突出，与其右翼整编第77师和后边整编第51师相距均达30余公里；且整编第77师原为西北军，整编第51师原为东北军，矛盾很深，互相之间不会积极增援。因此解放军可以大胆集中绝对优势兵力，27个团可以全部用上。
会议还研究了具体的作战部署，决定战役合围与战术分割同时进行。陈毅在讲话中特别强调集中统一指挥的重要性，要求山东和华中野战军加强团结、互助学习，密切协同，主动支援。
会后由陈毅、粟裕、谭震林、陈士榘签发《峄东作战计划》，对鲁南战役第一阶段作了具体部署：
（1）以8师、9师、10师、4师（欠2个团）、警备旅编成右纵队，统由鲁中军区司令员王建安、政治委员向明、鲁南军区政治委员傅秋涛、副司令员郭化若指挥。担任歼灭石城崮、青山周围地区敌26师44旅，夺取并控制石城崮、青山阵地，坚决阻击峄县、枣庄可能东援之敌，配合左纵队由西向东歼击向城以南地区之敌的任务；另以主力一部首先夺取石龙山阵地，得手后继续攻取向城，并控制该阵地，分割敌26师169旅与44旅之间的联系。第一步任务完成后应派队协助左纵队解决26师师部及80旅，并集中主力于傅山口、鹅山、兰陵之间地区与左纵队陶师（华中野战军第1师，师长陶勇）打通联系。
（2）以陶师、1纵编成左纵队，直归本部指挥。担任歼灭敌80旅、快纵及169旅之任务。1纵首先集中主力围歼卞庄之敌（169旅1个团）；另以得力部队歼灭向城东南渔沟地区敌炮5团，并阻击向城、渔沟地区可能东援之敌。第一步任务完成后配合陶师由东向西彻底歼灭敌80旅及169旅残部。
陶师以一部挺进东房前、小忠村（兰陵东北10里）与兰陵、洪山之间地区，相机进占兰陵、洪山，并控制该阵地。主力隐蔽控制于小锅里（向城南20里）、风落以南，鲁坊、南桥以北之间地区，负责打通与右纵联系，歼击冯治安部之北援及峄县敌之东援，并截击可能西窜之敌。上述任务完成后，即配合1纵主力歼灭80旅。
（3）3分区部队担任确保马头、新村沿河阵地，包围监视长城、铁佛寺之间敌人并坚决阻击其东犯之任务，除以主力沿长城、铁佛寺、沟上集以东、沂河以西地区布置包围外，应以精干武装组织民兵分股挺入兰陵、邳县、兰峄之间及峄台以西地区，广泛开展游击战争，破袭敌军交通运输，焚毁敌军兵站、仓库，掌握敌纵深情况变化，配合主力作战，并与向南与纪集一带的6分区部队取得密切联系。
这个计划还具体规定了各参战部队开进路线、集结位置、后勤供应、弹药、伤员收容、通信联络、注意事项等。要求各部统限于1日拂晓前调整部署完毕，如无特殊情况变化，决定于1月2日夜发起战斗，指挥部于2日24时前进至碑住指挥。