1945年4月3日，蒋介石密电顾祝同：“应乘匪立足未稳，迅速集中必胜兵力转取攻势”，【《新四军·参考资料》(2)，第620页。】予以“剿灭。”顾祝同秉承蒋介石旨意，调集了15个师(旅、突击队、纵队)7．5万兵力，以第25集团军总司令李觉为前敌总指挥，积极部署第3次进攻。其中用于第一线的兵力有10个师(旅、突击队、纵队)5．7万人，分左、中、右3路。右路由第79师和突击总队第1、第2队组成；中路由第192师、第62师1个团以及忠义救国军第1、第2、第3纵队各3个团和新编第1团组成；左路由第52师、第146师、独立第33旅、挺进第2纵队、绥靖第1、第2纵队组成。其进攻部署是：第一阶段占领临安及天目山；第二阶段围歼新四军于孝丰地区，或将新四军逐回长江江北，或将新四军逼至杭嘉湖地区，借日军之手消灭。事先，顾祝同派其亲信谢其石会见大汉奸周佛海，表示：“咸望南京与重庆配合，共同剿共。”【《粟裕战争回忆录》第335页。】

　　1945年5月22日起，第79师全部展开于富春江西岸和新登东北一线，先后强占了新登方家井、何阜殿边、云昌、施家村等地，构筑大批碉堡，切断了新四军浙西与浙东的联系。这时，日军正以1个多旅团兵力，在伪军配合下“扫荡”天目山及杭嘉湖地区的新四军。原在这一带的苏浙军区第1纵队特务营被迫撤回；第10支队亦受阻不能东渡富春江，停止于新登东北地区。

　　苏浙军区为改变日、伪、顽夹击的局面，击破顽军进攻计划，控制富春江两岸，确保浙西、浙东的联系，并争取时间，使分散的主力能迅速集中，于1945年5月29日晚开始，以第1纵队第1支队、特务营、第3纵队第7支队和第4纵队第10支队，向顽军第79师反击。经3昼夜激战，攻占新登城外围阵地，平毁碉堡300余个，将顽军击退，并乘胜于6月1日进占新登城。3日，顽军第79师得到由江西调来的突击总队第1队增援，并在独立第33旅的配合下向新登反攻。经1夜激战，又被击退，双方形成对峙。新登之战，共歼顽军第79师1个团和突击总队第1队一部2200余人。自身伤亡900余人。

　　当时，日军正缩短防线，放弃了金华、兰溪等地。国民党顽军因而得以放胆调用后备力量向新四军进攻。

　　面对这一形势，粟裕设想了三个作战方案：一是增援新登，继续在新登奋战；二是撤退一步，在临安进行决战；三是大踏步后退，诱敌深入，寻机再战。粟裕经过反复思考，并同叶飞交换意见，一致认为，新登地区狭窄多山，且是国民党军队筑堡地带，如继续在此地作战，至少还有2000以上指战员的伤亡，即使能获全获，国民党顽固派凭借兵力雄厚，还将接着发动规模更大的第4次进攻，我将不得不长期纠缠于反磨擦作战之中，不仅不利于当前抗战，更不利于今后的发展。如在临安决战，虽然可以稍有休整，并有获胜把握，但基本情况无大的变化。而且临安东临日军盘踞的余杭、杭州，易造成日顽夹击的形势。新登、临安均是新开辟的地区，群众还没有完全发动起来，在此地区作战，人力、物力保障都有困难。因此，决心采用第3方案。

　　1945年6月4日，苏浙军区部队主动让出新登，8日又让出临安，15日再让出天目山地区，撤至孝丰及其西北地区。国民党军进占新登、临安后，误以为新四军已“伤亡惨重，溃不成军”，作出了新四军已“向北溃逃”的错误判断，遂令其中路扼守天目山隘口，牵制和防备新四军再次向南突进；左、右两路迅速跟进，对孝丰实行分进合击。

　　这时，苏浙军区主力隐蔽集中在孝丰西北地区已休整多日，留在孝丰城担任守备的第11支队和独立第2团已控制了孝丰城外围的各制高点，并构筑了必要的工事，随时准备抗击顽军对孝丰城的进攻。根据顽军的进攻态势，苏浙军区决定采取先阻东打西，后阻西打东，集中优势兵力，各个击破东西两路顽军，以粉碎其进攻。具体部署是：以第8、第11支队和独立第2团组成阻击集团，阻击并吸引住右路顽军；以第1、第2、第3、第7、第9、第10支队组成突击集团，伺机出击顽军左路；以第12支队预伏在顽军侧翼的武康、德清地区。尽管顽军与新四军总兵力是三比一，但新四军集中兵力打其一路，则在局部又形成了绝对优势。

　　1945年6月19日，顽军左路第52师第154团进至孝丰城西的新桥头、百步村、西圩市一带，第155团进至孝丰西北的虎岭关、小白店一线，新补充起来的第156团随师部在磻溪及其附近。此时，顽军右路刚进至双溪、石门之线。两路相距约20公里。苏浙军区抓住战机，于当晚集中突击集团6个支队向顽军左路进击，将第154、第155团分割包围。经1夜激战，全歼第154、第155团。与此同时，苏浙军区一部从塘华村、观音桥楔入顽军第52师与独立第33旅的结合部，歼灭独立第33旅1个营。独立第33旅害怕被歼，仓皇逃走。

　　21日下午，在西线全歼顽军第52师主力已成定局时，苏浙军区便把孝丰变成空城，令守备部队放开东路，控制孝丰城东、北、东北、西、南各山地要点，形成三面埋伏，放顽军进城，关门打狗。当晚，苏浙军区主力全部东移，仅留第9支队担负桃花山至西圩市、下汤之线警戒。令第1纵队全部从孝丰西南向东经大竹杆插至井村一线，堵住顽军南逃后路。令第8支队从孝丰东北向东南迂回，乘夜从顽军阵地间隙穿过，向港口地区隐蔽集结，以切断顽军向东南的唯一退路。预伏在莫干山以东的第12支队连夜翻山，于21日8时前赶到白水湾、港口地区，堵住顽军退路。

　　21日，李觉电令右路顽军连夜乘虚向孝丰、鹤鹿溪挺进并相机占领，协同左路向新四军“夹击而聚歼之”。实际上此时左路第52师主力已经覆没。右路顽军突击总队一部进入孝丰空城，见势不妙急忙退出，但为时已晚，出了城却脱不了围。顽军第79师争夺孝丰城东北制高点五峰山未成。当晚，苏浙军区第1纵队全部经大竹杆、报福坛、山坞，从孝丰南面向东迂回，切断了右路顽军后路。第8支队穿越顽军阵地时遭到围攻，顽强奋战，占领和固守要点，打乱了顽军的部署。第3纵队主力经孝丰东北向顽军右翼迂回，占领了灵岩山及其以东一线高地，由北向南攻击。第4纵队主力从孝丰城南面向顽军出击。各部队南北收拢，将右路顽军压缩包围在孝丰东南的草明山、白水湾、港口间狭小山谷内。顽军拼死突围，未能得逞。接着，苏浙军区以第1、第3纵队4个团兵力，大胆穿插分割，切断了顽军第79师与突击总队第2队的联系。23日白天发起总攻，充分发挥炮火优势，杀伤猬集的顽军。经两昼夜恶战，顽军突击总队第1队除留守临安的1个营外全部被歼，第79师、突击总队第2队大部被歼，残余顽军夺路南逃。苏浙军区部队追至黄湖，停止追击。顽军惊魂不定，全线退却，并放弃临安。

　　天目山第3次自卫反顽战役，苏浙军区以少胜多，取得了歼灭顽军突击总队第1队少将司令以下官兵6800余人(俘近3000人)的重大胜利，彻底粉碎了国民党军聚歼苏浙军区主力、驱逐新四军出江南的狂妄企图，为坚持孝丰、莫干山、杭嘉湖敌后新区，打通与浙东联系扫清了障碍。