9月2日早上，北茅集及其附近群眾絡繹不絕地向北轉移。整3師第20旅的部隊追上來，在鎮南同尤太忠旅激戰。
9月3日中午，趙錫田率領一萬餘人繼續向大黃集、大小楊湖、天爺廟地區推進。劉峙親自指揮左右兩翼的整編41、47師向東明的常路集、桃園地區推進。午後，劉峙乘飛機到達整3師師部上空，出於對學生的關心，用密語問道：“錫田呀，你要不要飛機配合你作戰呢？”
趙錫田得意忘形地用明語答道：“共軍已被我打得丟盔棄甲，潰不成軍了。槍支、彈藥、大車充塞我軍道路，可見劉鄧部隊真的是不堪一擊了。飛機，我不需要了。就憑我整3師的美械裝備，共軍就不堪一擊，必敗無疑！”
劉峙驚問道：“為什麼不用密語？”
“不要緊，共軍沒有這個東西！”
劉峙不好再說什麼，急轉機頭，令兩翼跟上。
下午，趙錫田攻占了大黃集、大小楊湖地區20多座村莊。隨後，他命令部隊向安陵集和大張集一線猛攻。這次他的部隊遭到了李徳生旅的堅決阻擊。趙錫田親臨前線督戰，也未能攻破李徳生旅的防線，被迫轉入防禦。此時，劉峙指揮的整編41、47師也分別被阻於桃園、常路集和東明地區。東路的邱清泉、胡璉等部亦被劉鄧大軍主力阻於單縣以東地區。趙錫田孤軍突出的態勢已經形成。
當日下午，劉伯承、鄧小平鑒於決戰時機成熟，立即決定實施定陶戰役方案，以逸待勞的第2、3、6、7縱隊5萬餘人迅速分割包圍整3師。命令下達，千軍萬馬閃電般的動作起來。陳再道率２縱攔住了趙錫田的去路，收緊了北麵的口子；陳錫聯率3縱截斷了趙錫田與整編第41、47師的聯係；楊勇率7縱從東迂回，猛烈側擊整3師；王近山率6縱全力攻擊並分割整3師主力第20旅。當日暮的時候，不可一世的狂妄至極的蔣介石嫡係部隊、五大主力之一的整3師1萬多人被我劉鄧大軍5萬餘人分割包圍於大小楊湖、天爺廟、大黃集地區，陷入了劉鄧首長預先設置的嚴密的口袋陣中。
從9月3日晚11時30分開始，劉鄧大軍向整3師發起猛攻，首先集中第6、7兩縱兵力攻擊趙錫田的主力第20旅，激戰兩天，我軍殲敵約一個多營。