接近。日軍進佔獨山莊後，派出偽軍一個排，約２０人，另有日軍三五人，佔領了莊後的小高地，但未修築工事。絕大部分日軍在莊南面的一座大院外的樹林下露宿。日軍的３門炮（除兩門義大利野炮外，還有一門九二步兵炮）放在院外。莊西邊的小山腳下有一座獨立的土牆院，時有偽軍進出，像是偽軍的宿營地。日偽軍在炎熱的氣候下，經過連續作戰，已經是人困馬乏，疲憊不堪。他們胡亂地向梁山和莊外四周的青紗帳打了一陣槍炮，進行火力偵察後，便洗澡的洗澡，睡覺的睡覺，做飯的做飯，完全處於鬆懈狀態。
獨立旅的３營，原是紅軍３軍團的主力之一，班以上幹部和相當數量的戰士，都經歷了二萬五千里長徵。１９３８年底，該營隨６８６團赴魯時，曾受到朱德總司令和彭德懷副總司令的檢閱，當時，因為這個營出了很多幹部，所以被朱總司令譽為“幹部團”。
３營接到作戰命令後，立即確定了戰鬥部署：以１０連為主攻，從南面向獨山莊以及露宿樹林下的日軍實施突擊，全殲這些日軍，把大炮奪到手；１１連（配備重機槍兩挺）在迅速攻佔莊北的小高地後，除以一部分兵力鞏固佔領的陣地外，主力由東向西配合１０連向敵人實施攻擊；１２連在攻佔莊西邊的獨立土牆院後，繼續沿山腳配合１０連向敵縱深發展；３營的指揮所隨１０連前進；重機槍連為營的預備隊，隨營指揮所行動，同時要求各連於當晚８時進入攻擊陣地。
根據陳光和羅榮桓的意圖，由來光祖（師機關的參謀）指揮師特務營的２連，配合獨立旅１團３營殲滅獨山莊之敵；騎兵連和４連擔負警戒和預備隊的任務。
天漸漸地黑下來了，１１５師的各作戰部隊利用青紗帳及其他有利的地形地物，向指定的攻擊位置運動。為了出敵不意，各部隊都儘可能地接近預定的作戰目標。在獨立旅３營這個方向上，有的戰士甚至聽到了敵人的說話聲和睡覺的鼾聲。
到晚上８時之前，各部隊都已進入預定的攻擊位置。隨後３發訊號彈騰空而起，發起攻擊的時間到了。戰士們在輕重機槍的掩護下，猛虎似地撲向敵人。日偽軍在遭到突然打擊之下，一時懵頭轉向，不知所措。有的日軍光著脊背，有的穿著短褲，你擠我擁，紛紛向莊南的那座院子逃竄。３營立即乘勝追擊，把大院團團圍住。與此同時，攻打莊西獨立土牆院的３營１２連和莊北小高地的１１連也是旗開得勝，完成了預定的作戰任務，並正在向１０連的方向攻擊前進。
長田敏江迅速調整部隊，並立即分成十幾個戰鬥組，在密集的火力支援下。向外突圍，妄想用四面開花的方法殺出重圍。戰鬥進入白熱化，雙方部隊都有較大的傷亡。戰鬥進行了五六個小時，敵人已被１１５師消滅了大部分。但是剩下的日偽軍都退守到車馬店，以密集的火力優勢進行頑抗，八路軍久攻不下。有的人擔心如果日軍的援軍趕到，１１５師將處於十分不利的地位。
這時，師部派政治部秘書蘇孝順（現名蘇靜）到下邊瞭解情況。蘇孝順和來光祖在電話中向師領導彙報了部隊戰鬥的情況。羅榮桓聽完彙報後說：“敵人是孤軍深入，現在企圖固守待援。但是，鄆城、汶上的敵人兵力空虛，如果臨時抽調，最快要明天中午才能到達。我們已派部隊向汶上方向警戒。你們放心打，要集中力量，一鼓作氣，爭取明天上午１０點以前全殲殘敵。”隨後，羅榮桓又在電話中鼓勵部隊：“有一句俗話，兩軍相逢勇者勝，一定要把敵人消滅掉！”
各攻擊部隊迅速調整了部署。獨立旅３營集中所有的輕、重機槍，以猛烈的火力作掩護，由排長李炳祥率領突擊隊，閃電般地衝進大院，登上房頂，掄鍬揮鎬，在房頂上挖開幾個窟窿，將手能彈丟進屋裡，炸得敵人血肉橫飛。沒被炸死的破門而出，突出包圍，向青紗帳逃竄。師特務營的騎兵連飛馬揚刀，衝上去奮力拼殺，猶如砍瓜切菜一樣。獨山莊的老百姓也紛紛出來，活捉四散逃跑的敵人。
上午９時，戰鬥勝利結束。此戰共殲滅日偽軍３００餘人，俘虜日軍１３人，繳獲野戰炮２門、九二步兵炮１門、擲彈筒３具、輕重機槍１７挺、步槍２００餘支，以及其它軍用物資。在打掃戰場時，在一個窪地裡發現了長田敏江的屍體。他這個皇親國戚也沒有逃脫應得的下場。
梁山戰鬥不同於消滅偽軍的樊壩戰鬥，也不同於被動反擊的陸房突圍。這是一次在平原地區進行的、以日軍為主要作戰物件的成功的伏擊戰。雙方兵力相當，日軍火力處於優勢，八路軍取得了全殲日軍一個大隊的戰果。梁山戰鬥提高了１１５師堅持平原游擊戰