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，但后面可能迎来的是暴风骤雨。
李振华不是没有想过这个问题，如今在山西、山西、河南、河北、山东各沦陷区，我军成为了敌后抗日的中流砥柱。李振华认为前期我军以游击战为主，低调发展肯定是没有问题的。但当实力发展到一定阶段，日军对我军的重视不是以我军的意愿而转移的。
其它敌后根据地李振华不敢说，但山东及周边地区根据地正规部队54个主力团，兵力9万余人。这还是山东军政委员会因经济、策略等方面原因限制主力部队发展，大力发展地方武装的结果。 除了正规部队，我党在根据地及沦陷区都组织了县大队，目前根据地内县大队大多数已经升级为独立团，还有我党控制地方士绅组织的独立团、独立营，人数不下于10万。然后是游击队、各村镇民兵总数不下于15万。这样一股强大的力量，日军没有察觉是不现实的。这是在污辱日军的智商，也是在污辱为抗日牺牲的先烈。
此次战役陈光、李振华也考虑到后期的影响，尽力控制单次战斗的规模。我军不是没有单次成建制消灭日军一个联队的实力，但考虑到伤亡及过早暴露我军实力的问题，陈光、李振华不约而同选择了诱使日军分兵，少量多次围歼敌人的方式，在运动战中消灭敌人。这样做就是想让日军产生一个错觉，我军无实力一次歼灭一个联队以上的日军。我军实力不足，只能以阴谋诡计、设伏等方式作战。
李振华觉得这次战役的决策没有错，况且他还有其它的规划。李振华带着司徒雷登等人目睹了费县战斗的全部过程，然后把司雷徒雷登一行人交给铁道游击队，由游击队一路护送到湖西根据地，而后再由秘密交通线的同志接力护送到大后方。李振华等待着进一步的发酵。
山东日军也在检讨，济南第12军司令部土桥一次郎召集军部及师团长开会。土校次郎这段时间也是灰头土脸。临沂机场遭炮击那天他在沂水，侥幸躲过一难。但第17师团师团长等人阵亡、中国派遣军司令、32师团师团长等人受伤，让他受到了大本营的斥责。这才刚刚个把月的时间，日军又丢了蒙阴，费县县城，还有平邑、铜石等据点，兵力损失一万多二干人。损失超过了一场大战役。
土桥一次郎在军事会议上反思了日军的失误。首先他检讨了情报的失误，八路在蒙山周边到底有多少部队没有搞清楚，日军一直称山东我军为八部军徐向前部。日军情报认为只有12个团左右，兵力余人。其次严重低估了八路军火力，虽然不知道具体情况，但从决别电中看出八路有九二炮、还有一种火箭炮（从重庆兵工厂泄漏的消息），数量还不少。
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