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自25日至30日，鲁中八路军部队激战5昼夜，将吴伪四面防线打得稀烂。吴伪军心摇动，无心恋战，望风而逃窜，最后全部被压缩在悦庄、鲁村两地二三十个村子的狭小区域里，梦想在这狭小的地区内固守待援，只要鲁中八路军再一鼓作气，就能彻底扫平吴伪残余。
无奈鬼子的飞机每天都疯狂轮番轰炸八路军阵地，由于没有制空权，八路军的伤亡不断地在增加，另外鬼子第五十四旅团板本大队和独立混成第五旅团长岛大队，这两个大队突破八路层层拦截，不失一切代价火速向悦庄鲁村驰援而来，战场上的战事，已经失去了消灭吴伪残余的最好时机，鉴于如此形势，鲁中军区除留部分兵力与日伪周旋外，主力迅速撤离悦庄鲁村，待机歼敌。滨海军区第六团奉命返回滨海根据地，第三次讨吴战役不得不告一段落。
鬼子坂本大队和长岛大队两路援军，2300余人进入悦庄鲁村一带后，一面向周旋中的八路军出击，一面掩护吴伪重新加紧布防。由于吴化文不再山东，吴伪副总司令宁春霖全部负责其防务，宁春林除留第七军四十九师在悦庄以北张家庄一带外，将主力移兵于鲁村以西、莱芜以东的大辛庄、黄庄、宝台、和庄地区，总司令部驻莱芜县郑王庄。这样吴伪布防完毕，两千多鬼子除了被小股八路骚扰外，处处扑空，并没有发现八路主力，此时益都告急，直接威胁胶济铁路线的安全，鬼子其他地方又抽不出兵来，于是，又抽调坂本大队长岛大队回援益都， 两个鬼子大队于4月8日撤离了鲁中地区。鬼子的撤离，又给鲁中军区创造出新的战机，鲁中军区决定，乘鬼子回防、吴伪防务尚未完全就绪之际。再发起战役第二阶段作战，继续歼灭吴伪有生力量，破坏其再图东犯阴谋，以达到完全控制悦庄、南麻平原，巩固鲁山山区之目的。
鲁中军区的司令员王建安、政委罗舜初决定，对吴伪再次发起进攻。鲁中军区的这一决定立刻得到了山东军区的大力支持，于是，所有的部队再次返回，到达指定位置后，于4月15日夜22时再次发起总攻。第二团在第十二团配合下，从敌侧后居高临下，以勇猛的动作、灵活的攻坚战术，攻克青龙山、陈家庄、黄山庄、崔家庄等据点，歼吴伪4个连。第四团围攻踅庄伪独立第四旅，经一夜激战，予以大量杀伤，同时，又加强政治攻势，迫其副旅长袁东云以下600余人投降，但因过于相信其投降的诚意，当时未缴其武器，致使哗变，于牛郎官庄枪杀鲁山支队司令员孙克东后再次潜逃。第十团于西线袭击王村。第十一团“岱崮英雄连”围歼永兴官庄伪一个营，除敌团长常文彬带领40人西逃外，其余悉数被歼。攻击张家庄守敌部队亦发起猛烈攻势。已经从北平返回的吴化文，见东线攻势迅猛，其第四十九师危如累卵，于是亲率4个团残部由郑王庄东援，17日到达鲁村。东线伪第四十九师据守的张家庄，原为吴伪总司令部驻地，工事特别坚固，兵力又集中，虽被歼一部，但仍负隅顽抗。因吴伪增援兵力居于优势，且地形不便于运动中歼敌，王建安、罗舜初遂决定，乘吴伪主力东进、后方空虚之机，除留第十二团于悦庄地区积极出击，迷惑、牵制敌人外，调集全部兵力奔袭莱东吴伪后方。
就这样鲁中军区的八路军主力，不顾连日作战疲劳，发挥连续作战的优良作风，星夜兼程，于4月18日晚猛扑郑王庄。当夜，第一团及军区特务营直捣吴伪总司令部，一举攻歼其机关大部及第一七一团大部，俘伪少将处长楚家玉、张洪志、吴芳庭以下800余人。第二团袭击小张庄，因攻错方向，仅俘第一七六团50余人。第四团围攻黄庄，歼第一七二团一部，俘其180余人。第十团攻克宝台、铁车，俘百余人。分布于祭母山、汶源庄、裴家庄的伪军，如惊弓之鸟，在强大攻势下，纷纷缴械投降，鲁莱公路为八路军切断。第十一团攻克桃花山、小张庄南山。是夜，西线民兵全部参战，凡伪军驻守村寨，无一处没有枪声、呐喊声，场面甚为壮观。
吴化文刚到悦庄，惊闻后方告急，急忙率军回防，伪第四十九师残部见大势已去，也尾随西撤，八路军乘胜追击，先占张家庄，后占悦庄，再占南麻，收复整个南麻、悦庄平原。第三次讨吴战役宣告胜利结束。
第三次讨吴战役，历时25天，是役，歼吴伪“和平救国军”总部及两个师部、7个整团、6个整营、9个整连，毙伤日伪军1300余人，俘伪军5123人，连击溃伪军，计消灭日伪7000余人，占吴伪直属兵力的60％，攻克据点山寨110处，解放村庄1100余个，收复国土1200平方公里，解放人口三十多万，使灾难深重的沂鲁“无人区”人民重见天日，沂蒙根据地向北推进近50公里，打通了各根据地之间的联系，改善了鲁中军区与渤海区的交通。八路军伤499人，亡103人。1944年5月6日，《解放日报》发表《鲁中讨吴战役胜利