劉珍年眼見城內彈藥糧食日益消耗得不到補充，心急如焚。曾寄希望於南方北伐軍的救援，但遠水難解近渴，況且蔣介石的為人和對待雜牌勢力的一貫伎倆他也略有耳聞。正在一籌莫展之時，突然靈機一動，與其寄希望於他人，何不自己冒充別人救自己。於是他開始制定一個改變自己和數千部下命運的計劃，並立即動手實施。
首先他組織了三次軍事行動，目標都是向北門突圍。其真實目的是造成其欲通過突破北門向煙臺逃跑的假象，吸引敵方兵力，減少其他三門的壓力。張軍果然中計，增加了大量兵力並把戰鬥力很強的白俄毛子軍也調往北門。其次，出重金收買敵方軍官或情報。張軍駐防東門外的部隊有一個營長早就厭惡了這場戰爭，正好其一老鄉在劉部效力。劉珍年知悉情況後派其老鄉勸降該營長，二人一談即成。劉珍年給付該營長二萬元，該營長答應在約定時間撤掉自己防區的崗哨，放劉軍通行。四月二十一日夜晚，張軍營長送來情報“午夜十二時後，東關無崗可通行。”
四月二十二日凌晨，劉珍年先派一個班的士兵，打開東門出去偵察，返回報告東門外確實無崗。半小時後又派一個排士兵出城向遠處偵察，回報仍未發現崗哨。劉珍年立刻命令整裝待發的兩千餘士兵在夜色掩護下出東城門、過沁水河，到東沙子村、老人倉村一帶集結，換上提前準備好的國民革命軍軍服，打起國民革命軍軍旗。待天色微明，兩千多化裝成北伐軍主力的劉軍士兵，回頭由東向西向牟平城挺進。他們一邊沖鋒一邊呼喊“革命軍來了！”
一隊張軍巡邏兵首先發現了著國民革命軍軍裝的劉軍部隊，慌亂中丟盔卸甲，張慌西逃，邊逃邊喊“革命軍殺過來啦。”睡夢中的張軍士兵聽到喊殺聲不知所措，都糊裡糊塗地隨著別人跑起來。張軍駐東關的部隊向西逃竄，沖垮了北關南關的部隊，兵敗如山倒爭相逃命。
劉珍年命令號兵吹響沖鋒號，劉軍全城出擊。騎兵團首當其沖，入張軍陣中，左砍右殺所向披靡。張軍士兵鬼哭狼嚎，活著的隻冤父母少生了兩條腿，玩命地問西逃竄。
此時，張宗昌在七裡店的指揮部中剛與左右親信玩完牌，準備睡覺，忽聞外面傳來慌亂的腳步聲，急派人查看，知是自已部下被劉軍追殺，剛欲下令組織部隊阻擊，已經來不及了，劉珍年的一連騎兵已經追到指揮部外。張宗昌顧不得穿戴整齊，慌張跳上坐騎，在幾個軍官和護兵掩護下，一路西竄，競然跑在了自己潰兵的最前面。
跑到金溝寨以後，張宗昌向東看暫時甩掉了追兵，遂下馬稍事休息。他堵下幾個正在逃跑的高級軍官，命令他們組織潰兵在煙臺東口子進行阻擊。隨後，自己則率司令部一幫殘兵敗將逃往煙臺。當日傍晚，劉珍年部攻破東口子防線，攻入煙臺城內。張宗昌倉慌逃往龍口，登船潛往大連。
褚玉璞部指揮所設在武寧。劉軍部隊攻來時，褚玉璞曾集結部隊進行阻擊，但軍心渙散敗局已定隻得邊戰邊退，當天深夜退入福山縣城。
劉珍年揮師包圍福山城，一面炮擊一面勸降。在當地士紳調停下，褚玉璞在堅持抵抗一晝夜後同意放下武器投降，被押往牟平城關押起來（後被劉珍年密殺於牟平）。
至此，牟平之戰以劉珍年大獲全勝而結束。隨著張宗昌逃跑、褚玉璞被俘，段琪瑞和張褚二人重霸膠東的美夢徹底破滅。膠東至此度過一段相對穩定的時期。