吴化文布署在城顶山一带，这货半年来把司令部一直设在城顶山西南王家沟，原苏鲁战区司令部旧址，可见吴化文把51军及苏鲁战区于学忠恨到什么样的程度，混成第5旅团一个大队的鬼子和吴化文部一起驻扎，司令部周边驻扎有伪军6个团8000余人，主要防范方向是西面、北面。沂山军区已推进到擂鼓山、骡马山一带。南面有浯水，再向南50公里是沂水、莒县。东面有摘药山，再向东40公里是日军驻扎的诸城。
吴化文这半年来一直在担心山东军区会突袭他的部队，所以他才一边疯狂扩军，一边拉住日军部队壮胆。吴化文与我军打了4年交道，也知道我军不是他能对付的。他曾向日军建议部队退到沂水或莒县，但被混成第5师团长野荣二拒绝了。在日军看来，吴化文当狗就要有当狗的觉悟，皇军打下的地盘不可能轻易放弃，皇军军力不足，吴化文就有为皇军分忧的义务。
这一区域除了吴化文部外，还有厉文礼部、张步云部部署在这一带，厉文礼部主力驻扎在安丘地区?，城顶山的北面，并以?夏坡为中心?构建防御体系。张步云部部署在诸城与日照之间的区域，活动于五莲山区东部、北部及中部村庄。
李振华调集了沂山军区2个团、1个炮营，鲁中2个团、1炮营。再加上王吉文第3团，配属部分地方部队由鲁中军区司令员王建安负责指挥从擂鼓山向东进攻，从骡马山向城顶山发起进攻。东北挺进军111师由师长万毅率领，从五莲西部山区发夜间秘密跨过潍河、浯河，从摘药山东面进入，隐蔽在山区。李振华则带着机动兵团隐蔽在沂水、莒县以北峨山一带寻找战机。
8月13日凌晨三点，进攻吴化文部的战斗正式开始，王建安命令沂山军区2个团从骡马山插到东古庙，2个团在东古庙、任家旺一线布置阵地，向南威胁王家沟吴化文司令部，向北警戒城顶山伪军向王家沟方向增援。鲁中2个团及王吉文3团沿着秋峪向吴化文司令部发动正面进攻。
吴化文部半年多没有受到攻击，部队有些麻痹大意。骤然受到西、北两面攻击惊慌失措。混成第5旅团的那个大队大部被派往了西线秋峪方向，那里的攻击最为激烈。鬼子大队部及一个中队留在王家沟。吴化文一面不断抽调部队往西、北两个方向，一面向驻守沂水、莒县的混成第5旅团求救。从前方传来的消息，山东军区动用了5个主力团上万人，两个方向都有炮兵。北线与城顶山部队联系已被东古庙、任家旺一线的共军切断，西线已被攻破两道防线，吴化文冷汗直流，暗道山东共军这是要弄死自己啊！他期待日军援军能尽快前来增援。
沂水混成第5旅团旅团长长野荣二收到求援电报后，立即从沂水、莒县驻军中抽调了3个大队的日军在沂水集合，北上救援。日军向北行进至高桥，向西跨过沭河，沿公路向西北方向急进。李振华得到消息后，将黎明第18团布置到贡丹山，炮兵营也布置在这里。杨仁初特务团、李福泽第一团部置到杨庄镇以西的五山等高地，贺东生第6团、胡奇才第20团在峨山。李振华准备在峨山、贡丹山、五山组成的三角区域内（杨庄周边），消灭日军混成第5旅团增援部队。
凌晨五点多天蒙蒙亮，西线部队已进攻到离王家沟已咫尺之遥的大老子，吴化文部构筑的地上工事在高射机枪的直射和炮兵的炮击下完全起不到太大作用。一个中队的日军已损失殆尽，城顶山援军迟迟不到，吴化文彻底慌了，一面抽调部队堵住西线缺口，一面寻找后路。
王家沟东面摘药山上，东北挺进队4个团摸到了摘药山上吴化文部炮兵阵地边上，阵地上的伪军炮兵还在不断向西面战场观察，向进攻大老子的我军开炮，完全没有注意到我军已经摸了上来。东北挺进军突然发起了进攻，一次冲锋就拿下了摘药山炮兵阵地。万毅带着3个团冲下山向王家沟发起进攻，1个团在炮兵阵地防守并向王家沟、大老子炮击。
吴化文被东面摘药山方向的进攻打蒙了，摘药山上的炮兵阵地调转了炮口还在不断向王家沟炮击。他预识到大势已去，带着司令直属警卫部队和日军大队部向南往沂水、莒县方向逃窜，也不顾正在阻击我军的伪军部队。随着吴化文的逃离，伪军很快就崩溃了。王建安指挥部队迅速占领了大老子、王家沟。留下东北挺进军的1个团在王家沟，1个团向南追击吴化文，另2个团在万毅的带领加入了王建安的兵团北上，准备与沂山2个团汇合后重兵进攻城顶山。
防守城顶山的是于怀安，汪伪第三方面军第6军军长，城顶山周边布置1万余人。王家沟战斗发生时吴化文命令部队增援，于怀安派了4个团5000余人南下，被沂山2个团堵在了任家旺附近，王建安兵团北上，立即对这股伪军发动了猛攻，歼灭伪军1500余人，伪军余部溃散。王建安没有理会，丢给地方部队处理，他则带着部队向城顶山发起了猛攻。
于怀安见我军大部队来袭，知道吴化文和南下增援的部队必定是凶多吉少。如今手上的兵力也只有7000余人，他完全看不到有一丝胜算希望。于怀安命令伪军2个团在城顶山抵抗，他则带着4000余人向东往诸城方向逃窜，安丘方向厉文礼部与他们关系恶劣。
于怀安一跑，留下的伪军毫无斗志，纷纷举手投降。王建安兵团顺利占领城顶山区域。兵团暂停了进攻的步伐，按照事先计划，部队立即展开，在城顶山区域就地防御，再往北就是平原厉文礼的防区了。战前他与李振华商议过，两人达成了一致意见，都同意此战要稳扎稳打，贪多了也嚼不烂。准备稳定了城顶山区域后，再对厉文礼部出重手。