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按照劉伯承的指示，八路軍部隊分左、中、右3個縱隊。左翼隊由先遣支隊一大隊組成，由王樹聲指揮；中央隊由青年縱隊、晉察冀挺進支隊、冀中警備旅等部隊組成，由李達指揮；右翼隊由第三八六旅新編第一團一部和獨立支隊、師特務團組成，由桂於生、周希漢指揮。3個縱隊由鄧小平統一指揮。
3月5日2時，鄧小平一聲令下，戰役發起。中央隊按預定路線突擊。
敵人兩師的結合部果然防禦薄弱，他們在猛烈的炮火下紛紛逃竄。中央隊當晚插到前牧牛池，攻佔沿途全部碉堡，殲滅其補充團大部，迫使頑軍主力退集於嶺底、兩岔口、花園、賈壁地區。
右翼隊由進攻出發地攻擊前進，途中遇到了孫殿英的部隊。周希漢上前說明八路軍專打朱懷冰，該部軍官立即命令讓開道路。右翼隊迅速攻佔南王莊、齊家嶺，打退了頑軍多次反撲，關住了頑軍突圍的大門。
次日晨，中央隊、左翼隊從南北兩面夾擊頑軍，頑軍抵擋不住，遺棄全部輜重及後方機關，急渡漳河，向林縣方向潰逃。
鄧小平下令全線追擊。右翼隊新編第一團一部甩開大步向南疾進，先敵插到漳河以南的蘆家寨，卡住了敵人的退路。中央隊也陸續趕到林縣以北的姚村地區。途中，中央隊因兩日兩夜未得休息，追擊速度減慢。劉伯承發去電報鼓勵部隊：&ldo;現在雙方都很疲勞，誰能堅持到最後，誰就能獲得勝利！&rdo;
李達立即把劉伯承的鼓勵傳達給指戰員，行軍佇列中發出陣陣呼聲：&ldo;響應劉師長號召，堅決消滅朱懷冰！&rdo;
經兩日激戰，殲滅了朱懷冰第九十七軍及其他遊雜武裝1萬餘人，其中生俘7000餘人。朱懷冰率殘部3000餘人繼續逃往林縣以南，遭到預伏在這裡的別動支隊截擊，僅剩2000餘人逃入修武縣境內。
3月9日，國民黨第一戰區司令長官衛立煌出面要求八路軍停止追擊。
朱德總司令以抗日大局為重，同意了衛立煌的要求。雙方經過談判，劃定了兩軍邊界，以臨屯公路和長治、平順、磁縣之線為界，北面為八路軍的活動地區，南面為國民黨軍隊的駐紮範圍，彼此不得越界侵犯。
根據八路軍總部的決定，鄧小平率領追擊部隊後撤，並把俘虜全部釋放歸還國民黨軍。磁武涉林戰役勝利結束。
東線的衛東戰役也在順利地進行著。程子華、宋任窮總結了冀南反頑戰役的經驗和教訓，認為對照劉伯承、鄧小平的指示，上次戰役在兵力使用和部署上有不當之處，沒有貫徹好劉、鄧首長關於&ldo;咬一口算一口&rdo;、&ldo;一口一口吃&rdo;的要求，有的方向上口子開得過大，形成&ldo;咬不動&rdo;的局面。因此他們在部署衛東戰役時，注意突出重點，從頑軍薄弱處開刀。他們共調集了17個團的兵力。具體部署是：以冀魯豫支隊為豫北支隊，由清豐以南向東進攻柳格集、黃城地區的石友三部，以先遣縱隊、範築先縱隊為魯西北支隊，以東進縱隊、冀中劉（子奇）支隊、趙（承金）譚（冠三）支隊為中央隊，以第一一五師獨立旅、挺進縱隊第五支隊為魯西支隊，分別消滅觀城、六塔集、濮縣等地高樹勛部，爾後協同豫北支隊圍殲石友三部。
3月4日凌晨1時，戰役開始。一支精銳小部隊潛入頑軍六塔集陣地，採用了中心開花、由裡往外打的戰術。頑軍驚慌不堪，頓時亂了陣腳。各路攻擊部隊乘機猛烈楔人。頑軍散成數路南逃。攻擊部隊猛追，在濮陽以東及東南、東明等地連續予以打擊。11日，頑軍逃到民權以東隴海路兩側，暫獲喘息。15日，丁樹本部也南撤到封丘一帶。頑軍終於全部被趕出直南1地區。
4月5日，石友三、丁樹本在日軍支援下回軍反撲，企圖重佔直南，
