1943年6月，八路军山东滨海军区第十三团及第六团、第四团部分部队挺进山东日(照)莒(县)以北地区开辟滨北五莲山区根据地，至7月上旬，控制了诸城至日照间的山区。日伪军妄图趁八路军立足未稳之际，将八路军逐出诸日山区，纠集万余兵力，于7月15日向八路军发动“扫荡”——伪“皇协军”张步云部由北向南，日军由南向北，对八路军实行“夹击”。对此，八路军以机动灵活的战略战术，跳出敌人合围圈子，在运动中集中兵力寻歼小股敌人。

日伪军“扫荡”五莲山区，不仅没有达到目的，反而被八路军拖得筋疲力尽，于是日军分别由石场、街头窜回莒县和日照县城，留下伪军张步云部“镇守”。三关口，山高沟深，地势险要，是五莲山区的东西交通要道，为此，张步云派精锐部队第五旅（自称“大胜旅”）近千人驻守。八路军滨海军区决定对伪军张步云部采用“各个击破”的办法，首先集中兵力歼灭三关口伪军第五旅，再移兵打击其他敌人。十三团根据敌情，迅速确定了作战方案：一营在北和东北面担任主攻；二营从西南迂回到南面，利用夜间隐蔽接敌，从背后袭击敌人，并切断敌人可能的逃跑之路；三营（欠七连）为预备队；七连由西南向东北进击。

17日晚9时，滨海十三团各营按既定部署向三关口进发，于18日凌晨秘密包围了三关口伪军驻地。4时许，军区指挥部在制高点上燃起了三堆篝火，发出了战斗信号，战斗打响。八路军炸毁了敌人的碉堡，迅速占领制高点，从东、西北和西南构成交叉火力压制伪军。伪军仓促应战，乱作一团。见时机成熟，八路军打入伪五旅内部的同志发动一个新兵连反正，调转枪口向敌人射击。战斗开始不久，伪旅长就将指挥权交给副旅长，自己则带少数卫士以视察前线为名化装逃走。敌人得知伪旅长逃走的消息后，顿时瓦解。八路军各部冲入敌人阵地，同伪军展开白刃格斗，村内守军大部被歼，伪副旅长企图突围，被当场击毙，伪军电台台长、译电员及特务连在内的旅部成员全部被俘。

战至清晨，三关口敌人基本被消灭，只剩一股残敌向东逃窜，被二营和迂回到三关口以东的第一营包围起来，很快予以歼灭。

18日9时许，战斗胜利结束。此战，八路军共毙伪军112人，俘588人，缴获轻机枪5挺、步枪388支、电台1部，全歼了伪军“大胜旅”。为打击张步云部伪军的后方，滨海六团三营也于17日晚袭击了敌人位于诸城以南的据点，激战一夜，俘伪军中队长以下100余人，缴获了大批军用物资。

三关口战斗胜利后，八路军又发扬连续作战的作风，相继拔除了高泽、张家沟等敌伪据点，克复了五莲山区的300多个村庄，在滨北地区迅速打开了局面。