1947年5月進行的孟良崮戰役給了國民黨軍隊以沉重打擊，雖然暫時遏制了敵人的進攻勢頭，但是戰場形勢並沒有發生根本性的逆轉。中央軍委也在6月22日電示：只要有勝利把握，則不論打主要國民黨軍隊或次要國民黨軍隊均可，否則，寧可暫時忍耐，不要打無把握之仗。給華東野戰軍指明瞭作戰方針。
6月，國軍於增強兵力，調整部署後，又向沂蒙山區華東野戰軍根據地發起進攻，華東野戰軍被迫四處轉移，調動敵人，尋找戰機。至6月底，國民黨整編11師進駐南麻。南麻的北西南三面是山地，較易防守。在偵測中發現有解放軍主力部隊在周圍活動的跡象，於是師長鬍璉督促部下，緊急趕修工事，初步形成了比較完備的防禦體系，核心陣地為一方小臺地，南靠沂河，是主要兵力配備點。
陳毅、粟裕看到南麻的敵整編第11師相對孤立，是送上門來的肥肉，決定一口吞掉。隨即命令2、6、9縱包圍南麻，以另外兩個縱隊阻援，準備下口。本來以為手到擒來，誰知肉沒吃到，還崩掉了幾顆大牙。
7月15日下午3時進攻開始，陳毅在北碼頭崮坐鎮，手下頭號大將粟裕親自指揮，向南麻猛撲。戰鬥一打響，華野首長就發現敵情與瞭解不符。敵人的早有準備，周圍大小山頭和村莊密密麻麻的子母堡多不勝數，各個地堡群火力互相支援，各個據點間有交通壕聯結，周邊還設有鐵絲網、鹿砦等障礙物，陣地前500米內光禿禿的連一顆樹木、莊稼都找不到；火力、兵力配備層次分明、防禦重點突出。而解放軍得到的情報卻是南麻敵軍構築工事未成，情況不明匆忙發起的戰役使進攻完全處於極為不利的態勢。
整第11師完全憑藉完備的工事，積極迎戰，運用猛烈的火力，不停地向進攻的解放軍掃射。解放軍發揚大無畏的革命精神拼死進攻，傷亡一波再接一波繼續衝鋒，每攻克一個堡壘，都要付出傷亡數十人甚至上百人的代價。雙方你攻我守，一直相持到 7月22日，解放軍雖然付出了巨大代價，但還是連外圍陣地都沒有掃清，更遑論核心南麻臺地。在孟良崮戰役之後，一片“喜慶”氣氛之下的華野被兜頭澆了一盆涼水。
此時，敵整編第9、25、64各師，已經衝破阻援部隊向南麻附近進逼。加上時值雨季，連日大雨滂沱，山洪暴發，河水陡漲，部隊行動受阻，彈藥受潮失效，更增加了作戰困難。見此情景， 7月21日晚，陳、粟、譚決定撤出儘管付出巨大代價卻一無所獲的戰鬥。
此次戰鬥，第9縱隊傷亡4000多人，第6縱隊傷亡2000多人，負責正面攻擊的第2縱隊傷亡4000多人。南麻戰役進行了整整五個晝夜，僅殲滅敵整編第11師一個團。不但戰役目標沒有達成，反而造成了巨大損失，可以說是一個完完全全的敗仗，而不是什麼所謂的消耗仗。轉移過程中，華野還想再賭一把，結果在臨朐差點連老本都賠了進去，當然這是後話。
戰後總結，粟裕將這場戰役的失敗的原因總結為樂觀輕敵、攻堅戰術不夠等，而陳毅和譚震林則認為粟裕“軍事上常常粗心大意，缺乏遠見”“常常只看到一兩步”“不能簡單的以樂觀來檢討，這樣不能把問題搞清楚”。為此，粟裕只好於1947年8月4日發電報向毛主席、華東局寫檢討，請求處分。毛主席覆電安慰說：“粟裕同志支[四]午電悉。幾仗未打好，不要緊，整個形勢仍是好的。望安心工作，鼓舞士氣，以利再戰。”
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