1940年3月，驻山东日军向沂蒙抗日根据地展开“扫荡”，遭到抗日军民的顽强抵抗。八路军第一纵队首长将司令部设在距孙祖镇（山东省沂南县西南部的一个小集镇）4里处的东高庄指挥战斗。3月中旬，鲁中地区的日军获悉八路军第一纵队的活动情报后，立即调集沂水、莒县、朱位、东里店、铜井等据点的日军300多人，伪军100多人，向孙祖镇一带发起“扫荡”，妄想消灭八路军第一纵队主力，破坏抗日根据地。

八路军第一纵队首长得到报告后，决定抓住战机，集中纵队第二支队、纵队警卫团、第五支队交通营及地方武装，在九子峰一带设伏，歼灭来犯之敌。所谓“九子峰”，是从东南到西北方向有一道连绵起伏的山岭，岭上有九个像手指一样的小山峰。在孙祖与九子峰之间，还横贯着一条小沙河。这里山岭崎岖，沟壑纵横，是伏击敌人的理想场所。

3月15日夜间，八路军各参战部队到达九子峰后，迅速进入阵地，做好了一切战斗准备。

3月16日清晨，中共山东分局党校警卫连按照既定部署，率先发起攻击，节节抵抗敌人，引诱“扫荡”的日伪军来到九子峰山下。当敌人进入伏击圈时，立刻遭到埋伏在山上的八路军战士的迎头痛击，被毙伤30余人。敌人稍作退却后，随即兵分两路——一路在大路附近寻找隐蔽物就地抵抗，吸引八路军的火力，另一路拼死渡过小沙河，企图夺取河对岸的一处制高点，打开一条逃生通道。敌人向一处山岭进攻时，遭到埋伏在山上的八路军战士的猛烈射击。敌人被击退后，又企图从西南方向冲开缺口逃脱。见此情况，正在指挥战斗的第二支队首长立即命令部队迂回到敌人后方，堵住敌人的退路。敌人见退路被切断，不得不掉回头，和另一股敌人汇合，准备强攻九子峰，从正面冲出包围圈。

在炮火掩护下，敌人疯狂地向八路军阵地发起仰攻。守卫在九子峰的八路军指战员沉着应战，当敌人冲到离阵地只有30米左右时，突然开火，很快就击退了敌人的第一次冲锋。敌人不甘心失败，在激烈炮火的掩护下，很快再次发起冲锋。八路军指战员坚守阵地，和敌人反复搏杀，接连打退了敌人的七次进攻。

下午1时，敌人集中了所有兵力，发起更加疯狂的反扑，但始终无法撼动八路军的阵地。黄昏时分，随着第一纵队首长发出命令，坚守在九子峰上的战士们立即向山下的敌人发起冲锋。早已疲惫不堪的敌人放弃阵地，不断后退，很快被压缩到道路两边的壕沟里。入夜，八路军冲入壕沟，与敌人展开白刃战，迫使残敌退入孙祖村。八路军随即将村子包围起来。战斗中，孙祖村附近的抗日民众自发组织起担架队、运输队、情报队，为子弟兵送茶送饭，送情报，运送伤员。

17日，八路军经过激战，夺取了村外的敌人工事。村内日伪军见状，只得焚烧尸体，准备逃走。八路军发现后，立即派一部埋伏于肖家坪至仁寿庄路口，切断日伪军退路；另一部乘日军据点铜井镇守备空虚，轻装夜袭，一举攻占该镇。

17日夜，八路军对孙祖村发起猛攻，激战3小时，毙伤日伪军百余人。残敌支持不住，便拼命突围向北逃窜。敌人逃出不远，便遭到纵队警卫团和地方武装的伏击，大部被歼。

此战，八路军共击毙敌人120余人，击伤70余人，俘虏十余人，缴获了大批枪支弹药、军用物资和小推车60余辆。为了庆祝战斗的胜利，表彰和悼念在战斗中英勇牺牲的英雄，八路军第一纵队在孙祖镇召开了祝捷大会。会后，由抗大一分校创作的《孙祖战斗》《铁峪伏击战》《九子峰战斗》等系列歌谣，迅速传遍沂蒙抗日根据地。