按照新的部署，解放军于8日包围峄县，9日包围齐村、枣庄、郭里集，开始了外围战斗。
峄县守军有整编第51师第114旅2个团，整编第52师第98团（已被歼1个营），整编第26师残部及地方武装共5000余人，由马励武统一指挥。李玉堂已率峄临兵团指挥所撤回韩庄。枣庄市守军为整编第51师师部及第113、114旅各1个团，炮兵、工兵各1个营，第113旅旅部率1个团守齐村，另一个团守郭里集。
徐州绥靖公署为策应峄枣地区作战，命整编第11师由宿迁县进至碾庄圩集结待命。整编第64师由龙池集进至韩庄集结待命。
1月9日夜，解放军开始对峄县的发动进攻，经过激烈争夺，攻克城东北檀山制高点。10日黄昏前攻占南关，黄昏后各部开始攻城。第8师第22团，在炮兵掩护下连续爆破，于20时炸开南门攻占城楼，沿城墙向东发展。23时，第9师一部由东门突入。至11日拂晓，全歼峄县守军，俘整编第26师中将师长马励武，第114旅少将正副旅长李步青、崔慧生以下4000余人。战斗结束后部队迅即撤到兰陵附近集结休整。
11日，郭里集守军在解放军强大攻势下伤亡惨重，正副团长均负重伤，残部在向枣庄突围途中被全歼。枣庄国民党军被压缩到市区周围，据守坚固工事顽抗。
13日，国民党整编第11师、整编第64师已进到台儿庄、韩庄一线，准备解枣庄之围。粟裕调第1纵队第1旅进攻齐村，第1师全力进攻枣庄。16日，第1旅攻克齐村，全歼守军，俘第113旅正副旅长李玉堂、李朴全以下1500余名。
17日，枣庄国民党军退守市区核心工事，固守待援。为了最后解决枣庄守军，陈毅、粟裕除周密布置阻援外，增调第1纵队第1旅和第2旅第4团及第8师协同第1师围攻枣庄。总攻于18日黄昏开始，至20日全部结束战斗，全歼守军。俘整编第51师中将师长周毓英以下官兵8000余人。
徐州绥靖公署在枣庄被围攻的10天中，始终未予全力支援，各路援军均迟迟不前，仅临城一部东援、与解放军第10师稍一接触即行撤回。结果“迄20日2时，我守军弹尽援绝，危局莫挽，枣庄遂不守”。（谢声溢等编：《绥靖纪实》，第106页）鲁南战役第二阶段，以解放军的全胜而结束。