1947年7月17日晚，南麻战斗打响。战役一开始即异常激烈，解放军三个纵队在特纵一部的炮火的掩护下，连续发起逐波冲锋。至18日晨，第九纵队主力攻占荆山，正向历山、永兴官庄、塔山进攻，第二十六师正向上下豆腐峪以南高地进攻；第六纵队一部控制凤凰山阵地，主力进至重喜官庄、埠下庄一线，并向中马头崮、太平顶攻击；第二纵队进达埠衬南北一线，除以一部配合第六纵队攻击太平顶外，主力继续向西攻击前进。再经过18日一天的战斗，解放军三个纵队占领了大部分外围警戒阵地。因大雨不停，解放军弹药淋湿，赖以攻坚的炸药包等物大多失效，因山洪暴发，道路泥泞，重炮拉不上前线。而整十一师则占据有利地形，以少量兵力散守坚固堡垒，凭借优势火器反击，解放军常以重大代价攻占一个地堡群，仅歼灭国军一个班或一个排。
从19日开始，解放军各纵队对整编十一师开始发起了全面进攻：西线第九纵队向高庄、南北埠东、田庄，南线第六纵队向中马头崮、连冒山、古泉庄，东线第二纵队向吴家官庄、石钱山等阵地发起猛烈攻击。
从西、北两个方向进攻的九纵，以先头第二十六师第七十七、第七十八团，于攻占荆山泉、480高地等警戒阵地后，直扑鲁村以东，高庄以西的崮山。崮山扼守着南麻西通鲁村、莱芜的公路，非常重要，由在张凤集表现甚佳的第十八旅工兵营（营长孙敬三）据守。19日清晨，解放军第七十八团攻击崮山，遇到顽强抵抗，并遇国军逆袭，最后战至20日凌晨，才以重大的伤亡代价（其中第一营营长重伤，第三营营长阵亡）攻下了崮山，建立首功的七十八团四连因此获得“崮山连”的称号。十八旅工兵营被消灭，营长孙敬三逃回后，被胡琏下令枪决，三军骇然，无不死力抵抗。 九纵二十五师负责进攻第十八旅旅部所在地高庄，师长肖镜海命令该师的主力团--第七十三团（团长孙同盛）攻占高庄西部群山，师特务营也配属第七十三团指挥，攻击高庄西北的丘岭，以配合第七十三团战斗。同时命令第七十五团向凤凰翅、沧凉山、田庄、南布东一线进攻，以策应七十三团的攻击。第七十三团于19日18时攻占北布东后，向高庄西山子母堡群（第十八旅一个加强营据守）发起进攻，攻击一天，收效不大。到次日傍晚，七十三团第一、三营改以单人爆破的战术，逐次拔除西山子母堡群，占领了该处。第七十五团在团长张文和政委丁锐率领下，经两日激战，终于夺取了田庄、南埠东两个山头，而二十师特务营却始终没能攻占高庄西北的丘岭阵地。
从北路攻进的第九纵队第二十七师第八十一团，于7月19日从三岔店、车场、土门、菜园、彩班峪一带，直扑南麻北部制高点历山。历山南面脚下就是十一师部驻地南麻，由一一八旅第五十四团第三营据守。八十一团经一夜激战，夺取了历山，但次日即遭十一师的连续反击，阵地几次易手。到20日晚，八十一团因伤亡太大，被逐下了历山，向西鱼台撤退，在历山上遗留了300多具阵亡遗体。
南线第六纵队及第七纵队一部，冒雨向沂河岸边攻进，准备强渡东西横贯的沂河，进攻南麻。第六纵队第十八师被据守河南岸柴粮山的国军十八旅五十三团第三营（欠一个连）所阻，虽遭重大伤亡但无进展。第七纵队第五十七团用绳索牵引强渡沂河，但绳索被浪头冲断，大部人马被洪水卷走。第六纵队第十七师第五十一团则在彭团长，张政委率领下绕道连夜翻过险峻的燕崖南山，子19日凌晨2时抵达沂河南岸南刘家庄。并乘隙强渡1000米的沂河，攻占北岸的北刘家庄山岭制高点，尔后向周围扩展，控制了一里纵深、一里半宽的阵地，切断了南麻十一师师部与高庄第十八旅旅部的联系。国军顿时以十一旅和十八旅在空中掩护下，从两面向五十一团反击，双方各自伤亡四、五百人，战至当夜，第五十一团因后援不继、伤亡太大，被迫突围撤回河南岸，沂河防线一度被打开的缺口被国军封闭。
第六纵队的十六师四十六团主攻马头崮连冒山，该处仅由十一师的一个搜索连、一个便衣队和一个火器排，二百多人据守，但该处地势险要，三面是陡坡，北面靠沂河，为南麻师部南面的屏障。四十六团进攻一两日，竟无进展，调来刚刚缴获的两门重炮参战，一时找不到炮手，即在俘虏里找了四名。俘虏有意不打山顶，专打山腰的解放军突击部队，结果被当即处决一名。21日晨，四十六团动用两个营的优势兵力，以一部佯攻、一部攀岩偷袭，攻上了崮顶。战斗中国军因负责的副营长阵亡，失去指挥，阵地丢失。 这样，经三天四夜血战至7月20日，西线第九纵队占领崮山、高庄西山，南北埠东、田庄、水兴官庄，并一度攻入第十八旅旅部驻地高庄；南线第六纵队攻占马头崮，并一度攻过沂河；东线第二纵队攻占沙沟、涝坡河，进至吴家官庄外围，进展不大而伤亡不小。国军方面也很困难，第十八、一一八旅弹药消耗将尽，每天空投的弹药不够夜里打两个小时，不但师的预备弹药用完，就是守南麻城的第十一旅的预备弹药也都发光。无奈，胡琏下令第十一旅旅长杨伯涛将其全部弹药除留少量外，其余全部补充到第十八、第一一八旅。这天总算熬了下来。在战斗最紧张的20日，胡琏更为焦虑，他又下令将师直属部队和师司令部传令兵的弹药搜集起来，送往前线，并通知第十八、第一一八旅两旅长，按同样办法最大限度地把弹药补充到第一线。
到21日，随着南面来援的三个整编师的靠近，胡琏将军为争取防守时间，下令全线转守为攻。其中最为激烈的仍是西线，国军十八旅在炮火支援下，实施多次反冲击。下午，九纵七十三团守高庄西山的连长，在十八旅的反击面前，贪生怕死，躲到后面小沟里，以至阵地失手。九纵七十三团重新组织兵力火力反击，以较大的伤亡再一次夺回西山高地。此役中，任七十三团三营营部书记的迟浩田组织营部勤杂人员也上了阵地，并负了重伤。整十一师的反击打乱了解放军原计划于21日晚进行的总攻击计划。时整编第二十五、第六十四师突破解放军阻援阵地右翼，攻占于家崮和750高地（牛心崮）；整编第九师攻至高庄附近；莱芜整编第五师也逼近南麻；昌潍的整编第八师也正向临朐开进中。鉴于国军各部援军已近，而南麻外围的阵地尚未全部攻占，粟裕于21日黄昏下令撤围，各纵队分别向临朐县以南及西南地区转移。22日，整十一师开始追击，至悦庄以西之北张良、北石臼之线，和北援的整编第九师会合。
