1947年9月5日，陈毅与粟裕率领的华东野战军六纵、十纵和特纵，成功渡过黄河，与一纵、三纵在郓城与红船口会合。当时，敌军的第5师与第57师被陈毅引导，迅速紧跟其后，双方的距离大约20公里。陈毅和粟裕清楚地认识到，敌军的第57师此时已显得十分冲动，决定迅速抓住这一战机，围歼冒进的敌军。于是，他们命令陈士榘和唐亮统一指挥三纵、八纵以及六纵的主力，集结力量对第57师实施围剿。同时，四纵、十纵、十一纵和六纵的一部分部队则负责监视和阻击敌第5师，防止其增援。

敌整编57师是敌军的主力之一，自进入中原战场以来，屡次遭到解放军的包围，但因各种原因总能成功逃脱。正因如此，敌师长段霖茂错误估计了解放军的态度，认为我军不敢与其直接对抗，因此他变得有些骄傲自满，带领部队不顾一切地向北推进，紧追华野的队伍。段霖茂不知道，他即将遇到的并不是一个简单的对手——陈毅可不是轻易可以撼动的人。

9月7日下午，陈士榘和唐亮带领的三纵、六纵、八纵，快速向敌第57师发动了进攻。三纵从北面发起猛烈反击，六纵则沿着皇姑庵、安兴墓一线，向敌侧翼进行迂回攻击，八纵从南方向沙土集推进。敌军察觉到我军的意图后，立即收缩兵力，将守备重点集中在沙土集和周围的村庄，以防止被包围。随着夜幕的降临，华野各纵按照既定计划迅速围绕敌军展开攻击，形成了对敌的包围圈。

在陈士榘与唐亮的指挥下，三纵从北面对沙土集展开了强攻，同时肃清了马庄、精良寺和曾庄的敌人；六纵则从西北方向对沙土集的守敌发起了猛烈进攻；八纵则从南面以及东南方向攻击敌人，并成功清除了徐庄、苏家庄和曾家楼的敌军防线。

沙土集，这个坐落于菏泽与巨野之间公路上的小村庄，虽然地形较为复杂，四周被土墙、鹿砦和地堡所环绕，但敌军依然过于自信，认为可以凭借有利地形抵挡住我军的进攻。段霖茂指挥的敌军将大部分兵力集中在沙土集内，部分兵力则分布在外围村庄。然而，华野的攻击并未给敌人留下任何喘息的机会。

9月7日晚上，三纵迅速占领了马庄，并在次日继续攻占精良寺，全歼守敌一个加强连。八纵同样在当日下午向沙土集外围发起了猛烈进攻。段庄和双庙的敌军在我军的冲击下不得不撤退，最终退守到徐庄。八纵趁敌人未稳，向徐庄发起了猛攻，一举突破防线，全歼了敌人。

六纵的两个师在八纵司令员王建安的指挥下，迅速参与了围攻沙土集的战斗；另一部分师则归十纵指挥，快速向单家海、丁里长等地推进，防止敌第5师向西援助。

与此同时，六四纵、十纵和晋冀鲁豫野战军十一纵等部队迅速完成了包围，切断了敌第57师与第5师的联系，使敌第5师无法提供有效援助。段霖茂的计划完全被打乱，他震怒之下在指挥所暴跳如雷，责怪手下指挥不力。然而，他也不得不命令各团固守，准备进行最后的顽强抵抗。

8日下午，陈毅和唐亮指挥的华野部队开始执行包围、歼灭敌军的命令。三纵22团从北门突入，24团和7师20团分别从东北角和东面进行攻击。六纵两个师则分别从西门与西北进行攻击，八纵则从东门猛攻敌军防线。随着信号弹划破天际，华野的炮火像暴风骤雨般将沙土集炸得满目疮痍，敌军阵地顷刻间土崩瓦解。突击队趁着浓烟迅猛冲进村内，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，敌人几乎没有时间进行有效反抗，快速溃败。与此同时，八纵的主力在东门展开巷战，与敌军展开近距离的对抗。六纵的52团则率先突破西门，协同53团从两翼包围敌人，逐步将敌军压制至死角。

敌人经过一番奋力挣扎后，最终无力突围。9月9日清晨，沙土集战役胜利结束，华野全歼敌第57师1万余人，敌中将师长段霖茂及8000多名官兵成为俘虏。这场战斗不仅彻底摧毁了敌第57师的战斗力，还扭转了华东战区的战局，华东野战军成功从被动转为主动，为后续的战略进攻创造了有利条件。

陈毅和粟裕接到战报后，喜上眉梢，立刻向中央军委和毛主席报喜。9月14日，粟裕接受新华社记者采访时激动地表示：“我军全歼敌第57师的胜利，为山东战区的保卫和人民解放军的反攻作出了巨大贡献。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。”党中央也随即向华野发去贺电，肯定了这场战斗的重要意义。

这一战役不仅打破了敌军的重点进攻，也为解放战争中的多个战役铺平了道路，具有极其重要的战略意义。《十大元帅：解放军十大统帅鲜为人知的历史》一书中，精彩记载了陈毅等人如何在战场上屡建奇功，这本书也成为了中共党史出版社的年度畅销书之一。