1947年9月，国民党陆军副总司令范汉杰率新组成的胶东兵团沿胶济路东段北犯。华野山东兵团节节阻击，给范部以一定杀伤。道头战斗后，九月下旬，九、十三纵队由招远东南百尺堡地区插向敌人后方，进至大泽山区。十三纵留于大泽山区担任胶东内线作战，九纵队则继续南下。二、七纵队自诸城战斗后北上，29日夜，二纵队横扫胶济线潍高段，歼敌1500人。10月1日3个纵队会师于胶潍河之间朱阳地区。
胶东兵团司令范汉杰错误地判断山东兵团已失去战斗力，乃以九师由招远、栖霞之间转头回窜，平度南之亭口六十四师(欠一五六旅)，则由高密北窜平度，西向饮马跟踪尾击山东兵团。其余部队则继续向胶东腹地进攻，二十五师向烟台，八师进占蓬莱、龙口，五十四师向莱阳以东扫荡，四十五师则守备胶济路高密、胶县、寒亭等地。
山东兵团为扭转胶东战局，集中二纵队、九纵队歼击范部六—卜四师于饮马(昌邑南)地区；以七纵队并独立师、四纵队十师等部阻击范部九师以及潍县、诸城、高密可能东援之敌；以十三纵队攻取掖县以配合对六十四师之围歼。10月2日，山东兵团第一线部队报告敌主力已至饮马地区，因而即以二纵队由丈岭西北，九纵队由丈岭东北，齐头向饮马出击。六十四师发现山东兵团向其攻击时，即向胶河以东范家集、三户山(现三合山)收缩。九纵队二十六师渡过胶河向北攻击，另两个师及二纵队跟踪追击，当晚，扭住六十四师于胶河东岸范家集地区。
3日，六十四师收缩在三户山、郭村、范家集、林家庄等狭小圈子里。二纵队三个团及九纵队一个团攻击三户山，九纵队以二个团攻击郭村及范家集，均未奏效。4日，六十四师放弃郭村，山东兵团集中力量首先攻击三户山，九纵队二十五师两个团攻击东山，二纵队六师攻击西山。拂晓攻克东山，歼六十四师两个营。拂晓后西山亦为二纵队攻占，歼六十四师一部。5日，九纵队二十五师歼灭郭村西南地堡群守军一个营，晚，六师两个团攻占林家庄，歼敌1个团，九纵队4个团攻击范家集，激战1夜未攻克。6日，九纵队再以6个团兵力猛攻范家集，终因六十四师尚有3个多团兵力，依托地堡群固守，火力密集。而九纵队火力不强，兵力展不开，又有数路敌人来援，乃以一部分兵力监视范家集之敌，转兵打援。
当九纵队围歼六十四师时，敌纠集兵力分3路先后来援。一路为九师，2日至亭口，3日开始以小股兵力西向十师及二十师进犯未逞，5日晚向北迂回至牛栏一带。6日开始进攻红石山阵地。迄9日止，均为七纵队十九师两个团，九纵队二十七师两个团击退。一路为范部四十五师二一一旅，由潍县东渡河直向三户山增援。当时西海分区一个团未能按时进占山阳庄，5日遂为该敌占领，严重威胁山东兵团侧背安全。山东兵团乃以二纵队一部南下阻击，并以九纵队八十团南下配合。7日，二纵队全力攻击二一一旅，至八日午全歼该敌于山阳庄一带。
另一路为高密之敌二一二旅，诸城之一五六旅，5日集结高密后，6日沿铁路线向西进犯，与独立师一团接触。七纵队主力南开阻歼该部，7日出击歼一五六旅一个营，将敌分割包围于郑家庄、官庄、薛家集三点。当晚攻击郑家庄之敌一五六旅两个营未克，8日该两个营突围时被歼灭。8日攻击官庄二一二旅未能奏效，乃相对峙。时敌又调进攻胶东内地之五十四师、八师等部回援。山东兵团因调动敌人回援的目的已经达到，全歼范家集守敌尚需时日，而援敌已逼近，故于10日主动撤围，南下安丘县景芝镇地区休整。战役结束。
十三纵队配合作战，于2日开始攻击掖县，4日攻克，全歼国民党八师独立旅第五团。15日又攻歼莱阳西南之东夏格庄孙受之五十七旅一七O团。胶河战役，是山东兵团在保卫胶东作战中的第一个规模较大的战役，毙伤俘敌20711人，严重地打击了第四十五师、第六十四师等部，挫败了国民党军队在胶东歼灭人民解放军的计划，使山东战场的人民解放军转入了反攻。
