魯南戰役以後，魯中軍區在萊蕪地區休整待命。1947年1月23日，魯中軍區奉命改編爲華東野戰軍第八縱隊，張仁初仍然擔任參謀長，其他領導人員未變。縱隊下轄第二十二、第二十三、第二十四師。魯南戰役的勝利，給國民黨以有力打擊。但國民黨根據錯誤情報判斷華野“傷亡慘重、續戰能力不強”。燧於己於1947年1月，調集19個整編師(軍)，近31萬人，北線以第二綏靖區副司令李仙洲率領8個整編師(軍)，南北夾擊，企圖在臨沂與我決戰。
華東野戰軍根據中央軍委的指示，於是月中旬發起萊蕪戰役求殲李仙洲集團。華野以第八、第九縱隊組成右路軍，其他兄弟部隊組成中、左路軍。2月10晚華野分三路大踏步分三路隱蔽北上，山東人民組成支前大軍，肩挑畜馱，獨輪小車滾滾向前，糧草彈藥跟隨北進。我未作大的抵抗即讓出臨沂，使敵人陶醉在“臨沂大捷”中。根據華野要求八縱、九縱殲滅敵七十七師的命令，張仁初協助王建安司令員進行作戰部署，部隊進入預置陣地。
2月20日，戰鬥打響，歸八縱指揮的魯中警備五團佔領青石關，斷敵七十七師後路，我第二十二、二十三師迅速攻佔不動鎮外圍陣地，當夜攻入鎮內，與敵展開激烈地巷戰，21日佔領該鎮。並追擊逃敵，在青石關將敵七十七師師長田君健擊斃。全殲敵七十七師，首戰告捷，切斷了李仙洲集團北逃博山的退路。
22日，八縱佔領萊蕪東北地區，23日，龜縮在萊蕪的李仙州在20餘架飛機的掩護下分三路向被突圍，我軍“網開一面”待敵尾巴脫離萊蕪後，八縱在山頭店一帶圍殲了敵四十六軍，友鄰部隊也從萊蕪到張家窪一線從四面八方發起攻擊。戰至下午，國民黨第二綏靖區副司令李仙洲被八縱第二十二師生俘。至此，萊蕪戰役全殲敵5個軍部，7個師，56000人。其中八縱殲敵13000人。粟裕司令員在華野幹部會上表揚八縱“功勞不小”。而王耀武給敵整編八十三師師長李天霞的信中悲嘆：“萊蕪戰役損失慘重，百年教訓，刻骨銘心。”
