1930年5月下旬，晉軍第二路總指揮傅作義率軍攻至黃河北岸，蔣介石命第十五路軍總指揮馬鴻逵於6月8日進軍泰安至肥城一線參戰。晉軍第八軍從魯西向肥城、泰安方向進攻，馬鴻逵部放棄泰安，向兗州方向退卻，晉軍占領濟南至大汶口鐵路沿線。6月26日以後，傅作義率大軍集結於泰城至大汶口廣大地區。7月上旬，蔣、晉兩軍鏖戰於曲阜、兗卅一帶。
7月11日，晉軍敗退至堯山口、寧陽、吳村一線，14日退入泰安境，蔣軍踵至。閻錫山調馮鵬翥第九軍、豐玉璽第十五軍、秦紹觀第十八軍來泰增援。7月31日，蔣軍津浦線前敵總指揮劉峙督師總攻。蔡廷鍇部擊潰堯山口至樓德一線掩護晉軍側翼的豐玉璽部。晉軍四散潰逃，又遭徂徠山南無極道截擊。蔡部趨徂徠山以北地區，在崔家莊、官路、邱家店、山口等地攻擊晉軍後，兵臨泰城。旋又轉入泰山，擊潰晉軍一、四兩軍，一路經大津口趨仲宮；一路經捨身崖、五花岩登山殲滅據守十八盤和岱頂等處的晉軍，隨即進軍濟南。
陳誠、朱懷冰、胡宗南3個師，沿津浦線正面進擊。陳誠部在南北徐莊、宮裡擊潰晉軍，進占肖欄、蓮花峪等地。朱懷冰、胡宗南部與晉軍激戰於大汶口一帶，晉軍腹背受敵，即行北撤。蔣軍追至界首激戰，1930年8月15日，蔣軍攻占濟南。
馬鴻逵部於1930年8月3日圍攻泰城，並出動飛機轟炸。8月21日馬部切斷泰山王母池流入城內的水渠。8月24日，從西門密挖地道，爆破入城，晉軍黃士桐、張洞以下官兵2000餘人被俘。整個戰役歷時近3個月，圍城戰鬥21天。泰安人習稱此役為“第三次南北軍打仗”。
