左路日军傍晚才到达郑城，经过激战攻占郑城，我军向桃裕撤退，渡边留下一小队日军驻扎郑城，大部队追击我军。由于预定的时间还没到，我军只能层层阻击拖延时间，战斗持续了一夜，终于拖到天亮才到达桃裕。我军据守桃裕，日军发动了进攻。陈光命令山谷中的部队向日军两侧迂回，看到部队迂回到位后，陈光下令炮击日军。陈光、李振华、司徒雷登等在山顶观战。
渡边发现中计，日军三面被围，立即下令撤退，在山顶的陈光、李振华看到东面赶来支部队，心放了下来。406团陆升勋部赶到了战场，左路日军插翅难难飞。渡边一看形势不对，向临沂发了决别电。下令日军顽抗到底。经过两小时的战斗，终于消灭了这股日军。
临沂日军收到决别电大惊，命令日军加强进攻，打通临沂与费县的联系，但此时已来不及了。罗首长带着三个团，还有地方武装两个独立团，以王吉文团为先锋，用火箭筒炸开城门冲进了费县城内。费县留守日军没有料到我军会攻击县城，日军展开了巷战，虽然日军垂死挣扎，但改变不了费县城破的命运。我军用了两小时完全占领县城。只有零星日军逃出城外，但可能会死的更惨。愤怒、彪悍的山东人会让他们上天无路，入地无门。
三个主力团立刻向东增援鲁南军区，临沂日军见又有部队从费县方向前来增援。加之费县日军早就发决别电，救援计划完全失败，日军只好先退回临沂，再从长计议。
山东根据地我军一改以往的韬光养晦，连续收复蒙阴、费县两座县城。消息一经披露，在社会上产生了巨大的影响，提升了国民抗战的信心。很多在后方的民众还是第一次听到中共在山东有一块敌后根据地。
对于这次行动的得失，山东军政委员会乃至延安总部意见争议却很大。1940年下半年发生的正太路破袭战，前期取得的战果很大，但后果也很严重。华北日军把我党的根据地作为了主要作战对象，特别是中条战役国军退黄河以南之后。日军针对我军华北根据地进行多轮的大扫荡，提出了治安强化运动。我军在华北的根据地受损颇大，有的根据地甚至完全沦陷，成为了游击区。有人认为这是前车之鉴，山东根据地的大动作必将引起日军的空前重视，虽然目前日军暂时退却，但后面可能迎来