这种种迹象使顽军产生了错觉，认为新四军已是“伤亡惨重，溃不成军”，作出了新四军正“向北溃逃”的错误判断。
  粟裕决定，加强战役伪装，诱敌深入，将顽军引向预设战场。他命令第三支队在天目山正面利用地形和工事机动抗击，掩护主力集结和辎重撤退；设在天目山的机关、医院、工厂、报社和军需物资，纷纷向宣长路北转移，并公开向群众告别。
  顽军特务、谍报人员将所见所闻不断上报，并夸大其词，那些比较持重的顽军头目也确认“新四军已向北逃窜”。
  6　月2　日夜，第十一支队自宫春江东渡后，粟裕命令其负责掩护主力脱离战场。十一支队摆出主力大部队的样子进行运动防御，实际担任后卫的只有一个侦察连。他们且战且退与顽军不即不离，到达孝丰后转入正面阵地防御。第十二支队在完成紧急抢运伤员后，直接进入莫干山区敌后，既为今后主力转入敌后作准备，又成为下一步作战时向顽军侧后实施迂回的机动力量。其他各支队全部在孝丰西北地区隐蔽集结。
  6　月9　日，顾祝同电令李觉以主力兵团肃清东西天目山新四军，然后构筑碉堡固守。主力组成左右两个“迸剿”兵团，依托东西天目山，分由临安、宁国两地向孝丰分进合击，务必夺取孝丰，歼灭新四军主力；并续调突击总队第二队和第一四六师前来参战。
  李觉奉今后立即调整部署：左“进剿”兵团以江南苏皖边区绥靖指挥部指挥官刘秉哲为指挥官，辖第五十二师、第一四六师、独立第三十三旅、挺进第二纵队、绥靖第一纵队、第二纵队；右“进剿”兵团为第七十九师、突击第一队、突击第二队（欠二个营），以突击总队副司令胡琪三为指挥官。
  中间兵分两路，扼守东西天目山各隘口，并策应左右各兵团作战。部署的部队是第二十八军军长陶柳指挥的第一九二师和第六十二师的一个团，以及忠救军第一、第二、第三纵队各三个团和新编第一团；场口及新登附近由挺进第三纵队和浙保第四纵队担任守备。限所属各部于15　日前完成各项准备，　18　日前进占各出击要点，19　日开始全面进攻。
  这次进攻，动用兵力共计十五个师（纵队、旅、突击队），四十五个团（支队、突击营），七万五千人，用于第一线和先后参战的有十个师，三十四个团，五万七千余人。
  敌人的大军压境直指孝丰，大有黑云压城城欲摧之势。顽军妄图一举攻占孝丰，围歼新四军。即使围歼不成，至少也要赶新四军退回苏南，或借刀杀人，逼新四军退入杭嘉湖，假日伪之手将新四军消灭。
  在撤退中，连日来一批批部队和机关、后勤，日以继夜在孝丰附近粟裕指挥所的小屋前经过，尽管艰苦疲劳，忍饥挨饿，但大家精神饱满，紧张有序。有时粟裕到门口看看，过往的指战员也不时向门里望望，不管是相识的或不相识的，都互投亲切信任的目光，互相都心领神会，准备迎接新的战斗和新的胜利。
  在顽军各部向前推进的同时，新四军隐蔽集中在孝丰西北地区的主力，已休整多日，正随时准备投入战斗。粟裕将主力集结于此，既便于向合击圈内外运动，又便于机动对付东西两路顽军。留在孝丰城担任守备的第十一支队和独立第二团已控制了孝
  丰外围的各制高点，并构筑了必要的工事，随时准备抗击敌人对孝丰城的进攻。
  怎样打法？先打哪个？
  粟裕仔细地向将领们分析道：
  “顽军这次进攻兵力虽然众多，但其中路忠救军和第二十八军的主要任务是扼守天目山隘口，意在牵制和防我再次向南突进。该两部因两次受我打击，不敢轻进。东西两路是顽军的主力。西路虽有六个师的兵力，但第一四六师任守备的占了二个团，只一个团参加战斗，并且是担任翼侧掩护；挺纵、绥纵等部或守备或跟进配合，只起辅助作用；进攻的骨干力量是第五十二师和独立第三十三旅。”“独立第三十三旋虽然编制、装备、战斗力与正规师相等，但这个旅为保存实力，好打滑头仗，拣便宜时进得快，碰硬时也溜得快，不会真正出力。第五十二师的一个团在上次作战中已受到歼灭性打击，这次我们要对付的将主要是另两个团。东路有三个师的兵力，突击总队虽然是精锐部队，但我们己与之较量过，突击第一队同第七十九师在新登作战中均被歼一部，战斗力大损；突击第二队前来参战的只占该队的五分之三。所以东西两路的任何一路，我集中力量都有把握予以歼灭。顽军虽然是分进合击，我们必须仍然各个击破。”
  对自己的部队，粟裕更是了如指掌：
  “在兵力上，我军虽只有主力三个纵队的九个支队和一个独立二团共二万余人，顽我兵力总对比是三比一强，但我已完全集中，对付其一路，尤其是集中对付其中一个部队，则我是优势。而且各部队经过前两次作战锻炼，协同动作和战术运用都有提高，已逐渐适应山地战斗；兄弟部队间相互了解团结信任，并抢挑重担，对顽军脾性、特点也已摸到，经几天休整体力有所恢复，粮食尚能勉强维持，部队求战情绪高；地理、群众条件已转为有利于我。顽军已脱离碉堡地带，打运动战正是我军之长。”
  大家听了粟裕这精辟的分析，纷纷赞赏。粟裕接着讲：“这次战斗我们采取先阻东打西，后阻西打东的办法，连续作战各个击破两路顽军。作战分两个阶段：第一阶段，先歼西边的左翼骨干第五十二师，并相机歼灭独立第三十三旅；第二阶段，视情况发展移兵东向，再歼顽敌右翼集团。”
  这时，粟裕已注意到顽军左右两个集团远距离分头开进，速度不一致，第五十二师好大喜功行动积极；右集团却按部就班步步为营。加之粟裕以小部队对东路顽军进行麻雀战，迟滞其行动，使之前进缓慢。
  基于上述情况，粟裕决定：以第八、第十一两支队和独立二团组成阻击集团，既要顶住右路军的进攻，又要拖住敌人不使其逃离。第一、二、三、七、九、十等六个支队组成突击集团，伺机出击顽敌左路。第十二支队预伏在顽军侧翼武康、德清地区相机运用。
  6　月19　日。
  敌五十二师终于憋不住了，为抢头功，竟利令智昏地孤军深入。这时李觉也为粟裕的败军之计所迷惑，不但不再提醒五十二师切勿孤军深入，反而夸奖五十二师主动积极。敌独三十三旅见势也想抢头功，其先头部队还没到达孝丰城，就谎报说部队已经进了孝丰城。五十二师得到这个消息后，便派了一个侦察排长直奔孝丰，打算同独立三十三旅联络。当他闯到孝丰城附近的时候，被新四军抓获，并缴获了五十二师师长给独立三十三旅旅长的信件和作战部署。
  粟裕看到敌五十二师的行动部署，十分高兴：“这下我可号准了敌人的脉搏，五十二师为抢头功确已突进。”
  五十二师抢功急进，一马当先，突出到孝丰西北的小白店，而其右路兵团则刚迸至孝丰东南港口地区，中路兵团也还没有跟上来。左右两路兵团出现了二十多公里的间隙，首尾不能相顾。
  战机出现了！
  粟裕立即抓住这个有利战机，决心集中兵力首先歼灭五十二师。然后，回师东向，再伺机歼灭其右路兵团。
  敌五十二师是新四军的老对头，反共的急先锋，血债累累。“皖南事变”
  中伏击我新四军军部的就是它，这次向新四军进攻时竟扬言“再打一个茂林，完成皖南剿共未竟之功”，所以新四军上下对之特别愤恨。
  粟裕抓住战士的心理，提出了“为‘皖南事变’死难烈士报仇”的战斗口号，口号一下达，战士们一个个憋足了劲，磨刀霍霍，准备把五十二师打个稀巴烂！
  6　月19　日夜。
  一纵、三纵和由苏浙军区副司令员叶飞同志率领的四纵一起，把五十二师紧紧地围住了。
  枪炮声震天撼地，喊杀声接连不断，阵地上硝烟滚滚，弹片横飞，夜幕上空红绿曳光弹纷飞。
  经过一昼夜的浴血奋战，到次日下午夕阳西下时，顽军五十二师的两个团全部被歼灭。五十二师的另一个团在第二次反顽战役时，已被消灭。至此，这个在“皖南事变”中沾满新四军鲜血的刽子手，终于遭到了覆灭的下场。
  五十二师一昼夜被歼，李觉竟不知情。此时他还再三督促各部“放胆行动，努力奋迸。”“希各级指挥官抱最大决心，尽最大努力，以竟全功，”
  他急电右翼兵团迅速挺进，协同左翼兵团作战。其实此时不但五十二师已不复存在，连独三十三旅也被我歼灭一个营后钻进了天目山。
  就在新四军围歼五十二师的同时，敌右翼兵团已经倾巢而出，开始攻击新四军孝丰附近的守备阵地。对于这种倾巢而出、自投罗网的敌人，粟裕自然不会放过。当消灭五十二师的战斗大局已定时，粟裕果断下令，除九支队继续歼灭残敌和负责打扫战场，同时密切监视左翼的后续部队忠义救国军的动向外，其余支队尽数挥师东向，包围孝丰城边的右翼七十九师和突击总队。
  20　日下午。粟裕把指挥重点转向东线战场。
  粟裕命令孝丰守备部队弃城而出放开东路，控制孝丰城以北、东北、西、南、东南各山地要点，形成三面埋伏，待顽军进入城内后关门打狗。并令原守备西线的第八支队立即从孝丰西北向东南迂回，乘夜从顽军密集阵地的间隙中穿过，向港口地区隐蔽集结或酌情就地攻击，以切断顽军向东南的唯一退路；限预伏在莫干山以东的第十二支队连夜翻山，于21　日晨八时前赶到白水湾、港口地区，抄袭顽军后路，堵住对顽军右集团包围的唯一缺口。
  21　日。敌突击第一队一部进入孝丰空城，见势不妙急忙退出，但已来不及了，出得了城却脱不了围。
  当晚，新四军第一纵队全部经大竹杆、报福坛、山坞由孝丰南面向东迂回潜伏拦截，从南面兜住了敌人；第八支队在穿越敌阵时受到围攻，他们奋起反击，拖住了顽军，既割裂了顽军整个部署，又造成了顽军的混乱和恐慌。
  第八支队穿插敌阵这着险棋，确实高明，对正面阻击的十一支队而言，虽未增添一兵一卒，却胜过派遣千军万马；第三纵队主力则经孝丰东北向顽右翼迂回，占领灵岩山及其以东一线高地，由北向南攻击。至此，顽军右翼兵团主力已陷入我重重包围。
  我第四纵主力从孝丰正面向东出击，第十二支队已袭占港口、白水湾地区，断敌退路。第一、第三纵队从南北收拢，将顽军压缩于孝丰东南之草明山、白水湾、港口的狭小山谷地区。
  当时密集的敌人几乎布满了这一狭窄地段，敌人为了防止新四军夜袭，晚上把山下部队收缩到山头上。对此新四军，很难实施分割。
  粟裕决定打破常规，充分利用顽军这一教条毛病，抓住其怕新四军分割，夜间袭击的弱点，实行集中围歼，白天攻击。
  粟裕下令，首先利用敌人晚上收缩部队到山顶的机会，迅速占领附近山头，缩小包围圈。然后，出敌不意，命令白天突然攻击，获得意想不到的效果。白天攻击，新四军充分发挥迫击炮、小炮多的特点，用炮火大批杀伤渭集山顶的敌人。
  新四军一个冲锋，迅速占领山头，把敌军赶下了山。粟裕命令部队围三缺一，网开一面，乘胜追击，拦截惊慌失措之逃敌。这样，避免敌人作困兽之斗，减少新四军伤亡。
  经二昼夜恶战，敌突击第一队除留守临安的一个营外被彻底干净歼灭。
  第七十九师、突击第二队大部就歼。残顽夺路南逃。
  国民党气势汹汹的第三次进攻，以其彻底的惨败而告终。
  此役，共歼顽军突击第一队少将司令胡旭旰、第五十二师副师长韩德考（韩德勤之弟）、第七十九师参谋长罗先觉等以下官兵六千八百余人（内俘虏近三千人），缴获各种炮十七门，轻重机枪一百三十余挺，长短枪千余支。
  毛泽东听到捷报，不止一次地赞扬天目山战役打得好。
  刘少奇听到天目山三次反顽获得全胜，赞扬粟裕指挥的新四军第一师“在抗战中建立了最大的功劳。在我全军中以第一师部队作战最多，战果最大。”
  当粟裕与将士们在浙江粉碎了敌人的围攻之后，国际形势发生了很大变化，日寇战败已成定局。华中局指示新四军在江浙的工作方针是巩固深入苏南?