淮北发动了第一期攻势。左路第二十八师和第五十七师一个旅于二十一日到达曹八集、双沟一带；右路第七军击退解放军华中九纵的阻击后于二十三日占领灵璧；中路第六十九师在第五十八师一部的掩护下于二十五日攻占朝阳集、渔沟、双沟一线。第二十七日，解放军山东野战军反击第六十九师，激战两昼夜，击溃其两个旅。此时，薛岳趁解放军主力西移之机命令第七军东犯，至七月三十日，相继占领五河、泗城。解放军被迫东移。八月七日，解放军主力围攻泗城，由于战况不利于九日撤出战斗。
八月十九日，参谋总长陈诚在徐州与薛岳召开军事会议，商定进攻淮阴的战略计划。会后，**兵分三路：以李延年集团为中路，主攻淮阴；北路冯治安集团进攻台儿庄、鲁南，以牵制解放军山东野战军南下的后续部队；第一绥区李默庵集团在苏中继续钳制住粟裕。
八月底，在完成了进攻两淮的准备后，薛岳指挥李延年兵团分三路进攻运河以东。北路第五十八师在朝阳集、渔沟与山野对峙；中路第六十九师动作积极，二十七日占濉宁，二十九日克宿迁，摆出了一副进攻沭阳的架势；南路第七军于三十一日攻下洋河镇后即在泗河上架桥，扬言要在泗阳与解放军决战；而担任主攻的第七十四师则隐蔽在第七军后面跟进。这个部署“明攻沭阳，实取淮阴”，但在战役实施中却让人感到，**既可能“北攻沭阳，断敌归路”，也可能“南下泗阳，攻取淮阴”，使得对手弄不清**的真实意图。因而，虽然在战役开始前山野就知道了**进攻淮阴的计划，但司令员陈毅和参谋长宋时轮仍然上当，认为薛岳的主攻方向应为沭阳，从而将山野主力部署在了宿迁、沭阳、渔沟之间，在泗阳只放了一个久战疲惫的华中九纵，而淮阴更未布置一支有力部队，这给了第七军和第七十四师可乘之机。九月十日，第七军突然南下突破九纵防线，于十二日攻占泗阳。十三日，第七十四师越过泗阳，投入战斗。陈毅这才发觉上当，急调第五旅、第六旅、淮南军分区各部队赶赴淮阴布防，山野主力南下攻击第七十四师侧翼。**中央军委也电令粟裕火速北援淮阴。但薛岳已命第七军除一部协同第七十四师进攻淮阴外，主力在来安、泗阳组织防御，阻住了山东野战军主力的增援。而此时粟裕已围攻海安十多天，部队疲劳加上**空军的袭扰，要撤退谈何容易。十八日，粟裕部到达淮阴附近，未及投入战斗，十九日淮阴即告失守。二十日，第七十四师击败华中第六旅，攻克淮安。淮阴战役以**获胜而告终。
鲁南战役中，薛岳丢了两个师，更令蒋介石生气的是，把他的机械化家底――第一快速纵队给报销了。于是蒋介石派总参谋长陈诚坐镇徐州督战，实际上就是把薛岳给架空了。不想，陈诚的表现比薛岳还要差。由于他和蒋介石的瞎指挥，第二绥区李仙洲集团在莱芜被全歼，丧师失地。蒋介石面子上过不去，就拿来薛岳替罪羊。三月三日，蒋介石以“指挥无力，名声低落”的罪名撤了薛岳的职。
虽然有鲁南惨败，但薛岳在徐州绥署任上的战绩仍然赢得了对手的尊重。粟裕评价薛岳时，说他指挥“机敏”，是**的一员“干将”。有人说，粟裕把薛岳抬得过高了。其实不然。在与华东解放军作战期间，薛岳采用的“避实击虚、各个击破”的战术深合兵法之妙。首先，他选择的主攻方向总是能够打中对手薄弱环节，如：八月中旬，他把淮阴作为主攻目标，就是看准了该地是解放军华野和山野的结合部，防守兵力薄弱，两大野战军支援困难；十月初，他调整第三十三军等部进攻枣峄是因为华野和山野主力被牵制在了淮阴附近，无法增援鲁南。其次，注意隐蔽主攻方向。这在淮阴战役中表现得淋漓尽致。他将“佯攻沭阳”与“在泗阳造声势”相结合，竟瞒过了久经沙场的陈毅。第三，重视次要方向上的牵制作战。淮阴战役同时的海安战斗和来安战斗、枣峄作战同时的第一次涟水战役和鲍河战役都用相当兵力牵制解放军主力。通过这些分析我们可以看到，薛岳在徐州绥署任职期间的表现不似现在很多资料上说的那样糟糕。
五月，薛岳出任南京政府参军长。次年转任总统府参军长。在一九四八年新华社公布的四十三名战犯中，薛岳名列第二十七。一九四九年二月，调任广东省主席。在广东省主席任上，他积极整顿保安部队，打击解放军游击队，取得显著成效。五月，薛岳凭借保安队雄厚的军事实力镇压了吴奇伟在粤东的起义，狠狠打击了解放军粤赣
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