粟裕接到军委指示电后，立即只身由前线出发，赶到华中军区驻地张集，同从鲁南南下的山东野战军会合，准备部署、指挥宿北战役。
粟裕后来多次谈到，他在解放战争的战役指挥中有三个最紧张的战役：宿北、豫东和淮海。宿北战役是第一次。这一仗是山野和华野会合后第一次协同作战，也是粟裕负责两军战役指挥以来的第一仗，关键到华东战场能否化被动为主动。但直接参战的部队大部分属于山东野战军，这是一支较长时间以来处于失利状态的部队。特别需要胜利的战役来提高将士们的士气。最重要的是中央军委和***期望很高，两次点名要他这个两军会合后的副司令员部署战役，并且要求，“两军会合第一仗必须打胜”。如何完成中央军委交给的战役指挥任务，同时又处理好上下左右的关系，是一个不得不认真考虑的棘手问题。但是，粟裕考虑到战争全局的利益，考虑到中央军委的重托，决心打消一切顾虑，把这一仗打好。
此时，面对薛岳指挥4路国民党精锐部队，准备切断山东战区与华中战区联系的态势，粟裕进行了仔细的分析。他最后判断：这 4路敌军中，以整编第69师与整编第11师联合进攻的一路最好打。因为整编第69师由3个不同建制的旅合编而成，内部矛盾较多，战斗力较弱。师长戴之奇是三青团zy委员，政治上极端反动，忠于蒋介石，不久前刚被蒋介石提升为中将师长，此时一定企图邀功冒进，以报蒋介石的“知遇之恩”。但是此人的军事指挥不行。而胡链的整编第11师则是刚从中原战场调来的，非常骄横，但对淮北地形、民情不很熟悉。于是，粟裕决定出其不意，中央突破，集中24个团的兵力，首先在宿迁、沭阳，新安镇三角地区围歼立足未稳的戴之奇，分割、阻击并视情歼灭整编第十一师；同时以28个团的兵力分别监视和阻击其他3路国民党军。阻援兵力多于主攻兵力，这是粟裕大兵团作战的鲜明特点。

12月14日，粟裕与陈毅联合署名，将上述作战部署上报中央军委。***此前获报“陈粟在一起指挥此战役”，知道粟裕已在部署作战，大为放心，第二天即复电肯定：“决心与部署甚好。战况望随时电告。”
敌人果然按照粟裕的分析，由宿迁向沭阳、新安镇进攻，整编第69师和整编第11师主力呈扇形展开。粟裕当机立断，抓住能穿插分割，各个歼灭敌人的大好战机，指挥部队于15日黄昏向整编第69师发起突然攻击。
在整个战役进程中，粟裕根据变化万端的战场态势，及时发出具体指令，担负了主要指挥的责任。据华东野战军前线指挥所《宿北战役阵中日记》记载，从12月14日到l9日，陈、粟发出的指令共有34次，其中标明“陈示”或“陈令”的8次，标明“粟示”或“粟令”的14次，只标明“示”或“令”的12次。除此以外，还有陈毅、粟裕署名写给参谋长陈士榘，政治部主任唐亮的指示信1件（此信后来收入《粟裕文选》第二卷）。
副司令员行使司令员的战役指挥权的指挥体制，这是军史上罕见的。司令员陈毅到山东之初，其所辖部队中即“有干部过去对陈毅不熟悉而个性很强，不那么‘听招呼’的”（《陈毅传》，当代中国出版社，１９９１年８月，第１版，第３２８页），加上南下出击外线以来“未获连续胜利”，出于战役胜利的渴望和对革命事业的热忱，此时的心胸是很宽广的，给了只身一人来到山东野战军指挥部指挥作战的副司令员粟裕极大的支持。
到12月18日止，蒋介石嫡系部队整编第69师全军覆没，中将师长戴之奇自杀，中将副师长饶守伟、少将参谋长张东彝被俘。宿北战役以歼敌2.1万余人的战绩胜利结束。这是全国各战区解放战争以来，一次作战歼敌人数最多的战役。粟裕在战争中再创记录，为华东战场上歼灭战规模越来越大创造了一个良好的开端。
同一天，喜获战报的***即发出贺电，“庆祝宿沭前线大胜利”，认为“此战胜利，整个苏鲁战局好转”。《解放日报》发表《蒋介石孤注一掷的失败》的社论，指出：“这是苏皖解放区超过以前十一次大捷的空前的大胜利，也是今年七月以来整个爱国自卫战争中空前的大胜利”。“宿北大捷对于今后的战局，将产生重大的影响”。当然，苏皖（华中）解放区这１２次大捷均同粟裕卓越的军事指挥艺术紧密相连的。
此次战役中，虽然第一次使用了“华东野战军”名义，但直接参战的主要部队是山东野战军。自７月２９日朝阳集战役以后, 山东野战军部队近５个月以来未打一次好仗，尽管司令员陈毅曾给主力8师领导写信，承认“主要是我这个统帅犯两个错误”，但将士们并未如某些出版物臆想的那样，“受到极大感动和鼓舞（《第三野战军征战纪实》，解放军文艺出版社，２０００年１０月，第１版，第５２页）”，粟裕在《粟裕战争回忆录"""第十一章》中回忆说：“由于我军（指山野）这一段战事进展不算顺利，部分同志产生了一些埋怨和怀疑情绪，虽然作了许多工作，思想认识有所提高，但是真正解决问题还是要靠打胜仗。”在粟裕的部署、指挥下，山野部队取得了第一次辉煌的大胜仗，一扫脸上的阴霾之气。粟裕曾经说过：“同样的部队，同样的武器，在正确路线指引下，在高明的统帅指挥下，就打胜仗，反之，越打越被动。”徐向前也说：“只有不能打仗的官，没有不能打仗的兵。兵是干部带出来的，有什么样的干部，就会有什么样的兵。”（《中国元帅徐向前》，中共中央党校出版社，1995年1月第一版，第225页。）这些均是十分有道理的。

徐向前也说：“只有不能打仗的官，没有不能打仗的兵。兵是干部带出来的，有什么样的干部，就会有什么样的兵。”

徐向前也说：“只有不能打仗的官，没有不能打仗的兵。兵是干部带出来的，有什么样的干部，就会有什么样的兵。”说的多好啊，反观有些人说的“战略制定者是天才，由一群猪来执行”高下立判