1947年9月5日，陈毅和粟裕率领华东野战军第六纵队、第十纵队以及特纵，成功渡过黄河，与第一、第三纵队在郓城和红船口会合。这一过程中，敌军的第5师和第57师紧随其后，试图追击。两军之间的距离不到20公里，敌军显然没有意识到他们已经掉入了陈毅精心设下的陷阱。

陈毅和粟裕立即决定把握这一战机，集中力量围歼冒进的敌第57师。他们指挥陈士榘和唐亮分别统一指挥第三、八纵队和第六纵队的主力，准备对敌第57师实施围歼。同时，其他部队如第四、十、十一纵队和第六纵队的一部分（由第十纵队指挥）也负责监视并阻击敌第5师，防止其来援。

敌军的整编第57师是蒋军的重要主力部队，自从进入中原战场后，曾多次在解放军的围攻下逃脱。由于此前的几次侥幸逃脱，敌师长段霖茂高估了自己的力量，错误地判断我军不敢与其对抗。于是，他指挥部队急于追击华东野战军，向北急进。然而，他却没意识到，面对陈毅这样的指挥官，他的部队早已步入了死局。

9月7日下午，陈士榘和唐亮指挥的华野部队迅速向敌第57师发动攻击。三纵队从北面发起正面反击，六纵队沿皇姑庵、安兴墓一线向敌侧翼推进，八纵队从南方向沙土集逼近。敌军察觉到我军的行动后，立即将部队撤回沙土集及周围的小村庄，并固守待援。

当晚，华东野战军各纵队按计划向敌军进发，成功完成对敌第57师的包围。陈士榘和唐亮迅速做出决定，指挥三纵队从北方突击沙土集，并清理马庄、精良寺、曾庄等村庄的敌军；六纵队从西北方向攻击沙土集守敌；八纵队则从南方及东南方向进攻沙土集，并清除徐庄、苏家庄、曾家楼等地的敌人。

沙土集是菏泽至巨野的主要公路上的一个小村庄，长约两里半，宽一里左右。村庄四周有土墙、壕沟，且北面有一片沙地，地势较高，且无水，适合防御。敌人将一个团分散驻守外围村庄，其余的部队则集中在沙土集内，准备死守。

9月7日晚，三纵队成功占领马庄，歼灭守敌；次日，三纵队继续推进，攻占精良寺，再歼敌一加强连。与此同时，八纵队也在下午展开进攻，向沙土集外围的敌军发起猛烈攻击。段庄、双庙的敌军未能抵挡住华野部队的强大攻势，纷纷撤退，向徐庄退守。八纵队乘敌未稳，迅速向徐庄发动猛攻，一举占领该村，并将敌军全歼。

在三纵队、六纵队和八纵队迅速围歼外围敌军的同时，六纵队、十纵队以及十一纵队也快速增援，将敌第57师和第5师之间的联系切断，确保敌第5师无法前来支援。

面对困境，敌师长段霖茂惊恐万分，他在指挥所中暴跳如雷，责骂手下军官指挥不力，并下令各团集中兵力，依托沙土集内的地堡和房舍展开巷战，死守等待援军。

9月8日下午，陈毅和唐亮决定全力消灭退守沙土集的敌军。三纵队以22团从北门发起攻击，24团和20团从东北方向进攻；六纵队的两个师则分别从西门和西北方向攻击，八纵队主攻东门，阻击可能前来支援的菏泽敌军。

傍晚，三颗红色信号弹划破夜空，华东野战军猛烈的炮火将沙土集炸得满天飞尘，许多敌军被炸成碎片。炮火的爆炸声几乎将整个沙土集震动得摇摇欲坠。随着浓烟滚滚，突击队迅速从四面八方扑向沙土集。

三纵队的22团首先突破北门，敌人毫无准备，迅速崩溃，被迫投降。随着三纵队和八纵队的迅猛攻势，敌军守备体系在短短时间内瓦解。八纵队的23师67团首先突破东门，与守敌展开激烈的巷战。与此同时，23师68团继续在外围消灭魏庄的敌人。

六纵队两个师则发现敌军企图从西门突围，立即发动猛烈进攻，成功切断敌军的退路，并将敌军逐一歼灭。随着敌人防线的崩溃，段霖茂的部队完全失去战斗力。

9月9日清晨，沙土集战役正式结束。华东野战军成功全歼敌第57师，俘获敌军中将师长段霖茂、少将旅长罗觉元及其他官兵8000余人。这一胜利极大地扭转了华东野战军在鲁西南的被动局面，也有效地粉碎了蒋介石对山东的进攻，打开了向豫皖苏地区进军的道路。

在接到战报后，陈毅和粟裕欣喜异常，迅速向中央军委和毛主席报告捷报。9月14日，粟裕接受新华社记者采访时激动地表示：“我们全歼蒋军第57师的胜利，不仅保卫了山东战区和人民，而且标志着解放军开始反攻，蒋军在山东的最后攻势已彻底破产。从此，我们转入主动。”

党中央也向华东野战军发出了贺电，称这一战役的胜利对整个南线战局具有重大意义。沙土集战役的胜利，不仅打破了敌军的进攻势头，更为华东野战军打开了进军中原的大门。