1947年9月5日，陈毅和粟裕指挥的华东野战军六纵、十纵以及特纵成功渡过黄河，并与一纵、三纵在郓城和红船口会合。当时，敌军的第5师和第57师紧跟在他们身后，相距大约20公里。陈毅和粟裕意识到，敌军的第57师此时正变得急躁，决定迅速抓住这一机会，围歼敌人。于是，他们指示陈士榘和唐亮联合指挥三纵、八纵和六纵的主力，集中力量对第57师进行围剿。同时，四纵、十纵、十一纵和六纵的一部分部队则负责监视并阻击敌第5师，防止其增援。

敌军整编57师是敌方的主力之一，自进入中原战场以来屡次遭到解放军的包围，但由于种种原因，总能成功逃脱。因此，敌师长段霖茂错误地判断了解放军的态度，认为我军不会与其直接对抗，变得有些自负，带领部队不顾一切地向北推进，紧追华东野战军。段霖茂并没有意识到，接下来迎接他的并非普通对手——陈毅可不是那么容易被撼动的。

9月7日下午，陈士榘和唐亮带领三纵、六纵、八纵快速发起进攻，目标是敌第57师。三纵从北面猛烈反击，六纵则沿着皇姑庵、安兴墓一线进行侧翼迂回，八纵则从南方通过沙土集向敌人推进。敌军发现我军的意图后，迅速调整兵力，将防线集中在沙土集及周围的村庄，以防被包围。随着夜幕的降临，华东野战军各纵按计划迅速展开攻击，成功形成对敌军的包围。

在陈士榘和唐亮的指挥下，三纵从北面对沙土集展开了猛烈攻击，并清除了马庄、精良寺和曾庄的敌军；六纵则从西北方向进攻沙土集的守敌；八纵则从南面和东南方向发动攻击，成功清除了徐庄、苏家庄和曾家楼的敌人防线。

沙土集，这个位于菏泽和巨野之间公路上的小村庄，地形复杂，四周有土墙、鹿砦和地堡等防御工事，但敌军却过于自信，认为凭借这些有利的地形可以抵挡我军的进攻。段霖茂指挥的敌军将大部分兵力集中在沙土集内，部分兵力则驻守在外围村庄。然而，华东野战军的攻势让敌人根本没有喘息的机会。

9月7日晚上，三纵迅速占领了马庄，接着在次日继续攻占精良寺，消灭了一个加强连的敌人。八纵同样在当日下午对沙土集外围展开猛烈进攻，段庄和双庙的敌军在我军的进攻下不得不撤退，最终退守到徐庄。八纵趁敌人未稳，立即向徐庄发起了猛攻，一举突破敌防线，全歼了敌人。

六纵的两个师在八纵司令员王建安的指挥下，迅速加入围攻沙土集的战斗；另一部分师则由十纵指挥，快速向单家海、丁里长等地推进，防止敌第5师向西增援。

与此同时，六四纵、十纵和晋冀鲁豫野战军的十一纵等部队迅速完成包围，切断了敌第57师与第5师的联系，使敌第5师无法提供有效支援。段霖茂的计划被彻底打乱，他在指挥所暴跳如雷，责怪手下指挥不力，但最终不得不命令各团固守，准备进行最后的抵抗。

9月8日下午，陈毅和唐亮指挥的华东野战军开始执行围歼敌军的命令。三纵22团从北门突破，24团和7师20团从东北角和东面展开攻击。六纵两个师分别从西门和西北方向发动攻击，八纵则从东门猛攻敌军防线。随着信号弹升空，华东野战军的炮火如暴雨般猛轰沙土集，敌军阵地瞬间土崩瓦解。突击队趁着浓烟冲进村内，敌人措手不及，纷纷投降。

三纵22团迅速占领北门，24团和20团紧随其后，敌人几乎没有时间组织有效反抗，迅速溃败。与此同时，八纵主力在东门展开巷战，和敌军展开了近距离对抗。六纵的52团首先突破西门，与53团协同从两翼包围敌人，逐步将敌军压制到死角。

经过一番激烈的抵抗，敌军最终无力突围。9月9日清晨，沙土集战役结束，华东野战军全歼敌第57师1万余人，敌中将师长段霖茂及8000多名官兵被俘。这场战斗不仅彻底摧毁了敌第57师的战斗力，还改变了华东战区的战局，使华东野战军从被动转为主动，为接下来的战略进攻创造了有利条件。

陈毅和粟裕接到胜利报告后十分高兴，立即向中央军委和毛主席报喜。9月14日，粟裕在接受新华社记者采访时激动地表示：“我们全歼敌第57师的胜利，为山东战区的保卫和人民解放军的反攻做出了巨大贡献。这一胜利标志着蒋军在山东的攻势彻底破产，从此我军转为主动。”党中央也随即向华东野战军发去贺电，肯定了这场战斗的重要意义。