1947年3月11日，延安上空连续响起了防空警报。几十架美制飞机轮番空袭，引擎声、机枪声、爆炸声连成一片。整个延安都在燃烧。
3月13日，胡宗南对陕甘宁边区实施全面围攻。当时，我西北人民解放军在陕甘宁边区的部队只有2万多人，而胡宗南部是23万，可以说是1：10。
3月15日，蒋介石命令堵住黄河花园口缺口，强使黄河回归故道，构成从西风陵渡至山东济南约1000公里的正面黄河防线，以切断人民解放军晋冀鲁豫与华东两个主要战场的联系，阻止晋冀鲁豫野战军向南支援山东战场，并保障其从晋冀鲁豫战场抽兵用于东西两翼，在南线形成中间防御、两翼进攻的“哑铃形”的战略态势。其战略意图是：压迫华东野战军至鲁中地区而加以消灭，或驱逐华东野战军北渡黄河退至华北。在重点进攻得手后，再进攻华北、东北，达到将人民革命力量各个击破的目的。蒋介石把这次战略方针和重点进攻的成败，视为“关系党国存亡”的大事。
3月19日午时，国民党军侵占了延安。胡宗南以损兵5200人的代价，换取延安一座空城。
在山东解放区，国民党虽已遭到我军严重打击，但仍不甘心失败，将冀鲁豫战场上的王敬久集团调至山东，连同山东战场原有主力，整编组成3个兵团。加上第二、第三绥靖区所辖部队，用于进攻山东解放区的总兵力达24个整编师60个旅，45万余人。
为了粉碎国民党重点进攻，3月6日，中央军委电示陈毅、饶漱石、张云逸、黎玉、粟裕、谭震林、陈士榘，指出华野应以“主力5个纵队争取休整半月以上，甚为必要”，下一步行动，“待敌情发展再行决定。但考虑行动应以便利歼敌为标准，不论什么地方，只要能大量歼敌，即是对敌人之威胁与对友军之配合，不必考虑距离之远近。转入外线之时间，现亦不必顾虑”。
3月10日，中央军委指示：“全军彻底休整一个月，以利而后作战。”
3月8日至11日，华东军区和华东野战军召开了高级干部会议，主要是传达中共中央和中央军委指示，总结莱芜战役经验，讨论如何贯彻执行“一面打仗，一面建设”的方针。同时，野战军领导机关还召开了政治工作、参谋工作、后勤工作等会议，全面总结经验，部署工作。
召开这次会议的地点是位于淄川东南的一个叫作大矿地的地方，德国人曾在这里开过煤矿。莱芜战役后，陈毅等率华野司令部移驻这里。据说这里是《聊斋志异》的作者蒲松龄的故乡。这次会议在习惯上亦被称为“大矿地会议”。
3月13日，华东局、军区、野战军的领导联名向中共中央和毛泽东主席报告了部队休整计划。报告说：“我们在前指集议，传达和讨论中央对时局和任务的指示，开了师及纵队干部会议，商定部队休整到3月底。项目是，深入中央的指示讨论，如何去完成今年作战新任务，并整顿纪律和军事操习，同时续开参谋会议、政工会议。陈、粟、谭抽时间到各纵队去研究和帮助工作，饶、黎、张、舒抽时间到渤海、胶东布置工作，同时成立八、九、十纵队的编制。另外，如能休整至3月底，可从渤海补入1万新兵。4月初，胶东亦有1万新兵陆续补充进来。从渤海运粮1亿斤至3亿斤到路南供应，同时从渤海、胶东、鲁中抽5个地方团把各纵队均补足9个团。以上各事办妥后，4月份即寻敌作战，执行新的作战任务。此时，如南面或津浦之敌保持比较分散的状态，即连续在一个月内歼两三个军，是比较有保证的。”
在此期间，华野各纵队抓紧时间进行了一个月整训。开展了形势教育，完成了部队整编，加强了军事训练，提高了部队战斗力。
这是华东野战军自解放战争以来最有成效的一次整训。
1947年3月底，顾祝同指挥汤恩伯、王敬久、欧震三个兵团，开始向山东解放区发起大规模进攻。国民党对山东的重点进攻正式开始。
此次进攻，顾祝同、汤恩伯、王敬久、欧震等人显得小心翼翼，他们采用密集平推、稳步前进、不轻易分兵的新战术，每天前进不超过10公里，最慢的一天甚至只前进两三公里。
在兵力配备上，顾祝同等继续采取了“硬核桃”配“烂葡萄”的部署，将整编第七十四师、第十一师和第五军这些一等王牌主力部队摆在第一线中央位置，左右两翼各配备几支杂牌部队和二流部队。他们想，若华野要插入中间攻击其中一支王牌军，两翼的杂牌部队和另外两支王牌军即可接应增援；若华野先打两翼杂牌军，他们则准备先牺牲几个“烂葡萄”，等华野疲惫之时，再以“硬核桃”王牌主力出击，则可获全胜。蒋介石、陈诚对此配备方案十分满意，认为是绝对保险的“万全之策”。陈诚甚至得意扬扬地吹嘘：“共军啃不动‘硬核桃’，只有去吃‘烂葡萄’。等他吃‘烂葡萄’坏了胃口时，我们的‘硬核桃’一定会噎死他们！”
此时，陈毅与粟裕、谭震林、陈士榘等拟以第二、七、八纵队82，000人进入郯城、马头、新安镇，占领运河线，继而渡运河西进，直逼津浦南段，诱敌七十四、八十三师两师南援。而后，或歼灭南线之敌七十四、八十三师，或歼灭由泅水向东南增援之十一师，或歼灭大汶口向东进犯之第五军。
4月20日，敌七十二师从汶上、宁阳地区北进，占领泰安，较为孤立。华野即定下围泰（安）打援方案，遂以三纵、十纵等包围泰安，吸引敌整编第七十五、八十五师北援，准备在运动中予以歼灭；以四个纵队待机歼灭可能自泗水、平邑北援之敌。
为了进一步明确华野首长围泰打援的计划，三纵八师根据上级的指示和敌情、地形等情况，又进行了一番讨论，明确二十二团担负攻城任务，二十三团攻打城西南角的制高点蒿里山和火车站，二十四团肃清南门西城关的敌人。
4月24日黄昏，二十三团发起进攻，他们向蒿里山主峰冲击。敌人用密集的炮火拦阻，接着拼命地组织反击。激战半夜，二十三团伤亡较大。二十四团突击连打下南门以西的几个地堡，无一人伤亡。这个连的连长是郭继胜。师长王吉文即让作训科长带着一个参谋到二十四团去总结经验。作训科长很快把经验总结了出来，发现郭继胜在战斗中充分运用小群动作，把突击班分成一个个战斗小组，每个小组的战士相互掩护，交替前进。于是，师领导立刻分头下到部队，搞起了战前小练兵。经过一天的练兵，二十三团再度向蒿里山发起冲锋，总共才用了30分钟，将守敌一个营全部歼灭。接着，二十三团又占领了火车站。二十四团也将城关之敌消灭。
4月25日晚9时，二十二团从西门开始攻城，战斗英雄林茂成带领突击队，仅用15分钟就炸开了敌城门。二十四团和后续部队一下拥进城去。同时，十纵也从东门突破。枪声在城里响，炸药、手榴弹在城里爆炸，部队源源不断地开进城去。到天亮，随着逐渐稀疏的枪声，敌整编七十二师2万人被消灭，七十二师师长杨文泉也被生俘。
正当部队打扫战场时，一架敌机嗡嗡地在头顶上空飞旋，还没等它弄清是怎么回事，就被我军战士用机枪、步枪击中，一头栽到我军的指挥所前。
王吉文师长拿着一部新缴来的照相机，对大家说：“‘吃烧鸡’的走哟！”然后，大家笑声朗朗地向燃烧着的敌机走去。
此战，虽然由于各路敌军害怕我军打援，始终未能出援，打援计划未能实现，但我军歼灭了敌有生力量，迟滞了敌人的进攻。
5月初，华野决定进一步调动和分散敌人，以两个纵队南下鲁南，以另一个纵队南下苏北，威胁敌人后方，吸引敌军回师或分兵，以便在运动中歼敌。华野将此设想上报后，5月4日，中央军委即复电指示：“敌军密集不好打，忍耐待机，处置甚妥。”同时指示，“你们后方移至胶东、渤海、脐济线以南广大地区，均可诱敌深入，让敌占领莱芜、沂水、莒县，陷于极端困境。然后将其歼击，并不为迟。唯一要有极大耐心；二要掌握最大兵力；三不要过早惊动敌人后方。”
5月6日，中央军委又电示：“得悉青驼寺歼敌三千，但因一纵远去宁阳，来不及集中兵力打敌七十四师等部，失去一个歼敌机会。目前形势，敌方要急，我方并不要急。鉴于青驼寺教训，尤不宜分兵，不但一、六纵不宜过早分出，七纵亦拟宜暂留滨海地区一个月左右，作为钳制之用，一个月后看情形再行南下。因此，五、六两月你们除以七纵位于滨海外，其余全部集中于莱芜、沂水地区休整待机。待敌前进或发生别的变化，然后相机歼击。第一不要性急，第二不要分兵，只要主力在手，总有歼敌机会。”
5月6日晚，设在西王庄的华野司令部内，灯火通明。
陈毅、粟裕、谭震林、陈士榘等根据中央军委指示，连夜研究、调整作战部署，决定放弃以第七纵队南下苏北和第一纵队去鲁南的计划。命令已位于新泰以西的第六纵队就近南下至平邑以南地区，不再以牵制敌人为主要任务，不采取积极行动，而隐伏于鲁南敌后待命。考虑昌潍之敌筑城较久，王敬久兵团和“第二绥靖区”增援较近，而鲁中之敌已向前推进，正可捕捉战机。因而暂缓北攻昌潍，主力与敌脱离接触，集结于莱芜、新泰、蒙阴以东地区，摆开阵势，待机歼敌。
粟裕笑道：“我军这一行动，必能给敌人造成错觉。顾祝同会以为我主力已由沂蒙公路一带转移到淄川、博山地区。南京又有‘空前大捷’的牛皮可吹了！”
陈毅接着说：“汤恩伯一定会狂起来，抢个头功！”
谭震林说：“这样做，他就离自己的末日不远了。他进攻山东以来还未败过，也该败了！”
果然，事后蒋介石、顾祝同误认为“共军伤亡惨重，无力再战，被迫向淄川、博山地区撤退”。
5月10日，蒋介石、顾祝同发出“跟踪追剿，进出于莒县、沂水、悦庄、淄博一线”的密令。国民党三大机动兵团，几十万大军，开始一窝蜂地向东、向北“追击”。
急于抢头功的是第一兵团司令官汤恩伯，他不等两翼的王敬久、欧震兵团统一行动，于5月10日即令其第七军和整编第四十八师从河阳出动，先头占领苗家区、界湖，且有续犯沂水趋势。由于该敌位于敌之右翼，比较暴露，华野拟首先歼灭并视机打援。但这路敌军是桂系部队，打仗很狡猾，又较顽强，和他们作战要拼消耗，很难有俘获，不是理想的打击对象。
5月11日，第一兵团各部开始北犯。当日晚，华野首长从秘密材料中获得敌汤恩伯兵团具体作战部署是：以整编第七十四师为中心，第二十五师、第八十三师分别为其左右翼。以第六十五师保障第二十五师翼侧，第七军和第四十八师保障第八十三师翼侧，限于12日（后改为14日）攻占坦埠。同时，王敬久兵团之第五军，欧震兵团之第十一师等部，已由莱芜、新泰出动东犯。同日，中央军委也向华野通报了上述动态。
粟裕对这一急剧变化的战场态势进行了冷静的分析、思索，认为根据当时掌握的情况，可判断敌人已向华野发动全线进攻。其部署是，以整编第七十四师为主要突击力量，在两翼和后续强大兵团掩护下，对华野实施中央突破，并把中央突破的矛头直指华野指挥部所在地坦埠。企图一举击中华野指挥中心，陷华野于混乱之中并聚而歼之，或将华野逼压至胶东一隅或赶过黄河。粟裕认为，这一形势为华野带来了有利的战机。因为在此以前，敌军密集靠拢，行动谨慎，一打就缩，很难捕捉。现在，敌军即已开始全线进攻，并以第七十四师实施中央突破，已进入我主力集结位置的正面。因此，华野应立即改变先打敌第七军和第四十八师的计划，迅速就近调集几个强有力的纵队，以“猛虎掏心”的办法，从敌战斗队形的中央揳入，切断敌第七十四师与其友邻的联系，并将其干净、全部地消灭。
粟裕拿定主意后，即向陈毅讲述了自己的看法和根据。陈毅听得非常认真，之后便十分肯定地说：“好，我们就是要有从百万军中取上将首级的气概！”
然后，陈毅把帽子摘下往桌上一摔，说：“不走了！”
此时，华野各纵队均已开始向沂水方向行动，指挥部的前梯队已经走了，后梯队也已整装待发。为保守机密，电台和无线电话均被停止使用，就连架设的有线电话线也已被收起。为尽快将命令传达下去，上级决定由参谋处长夏光把指挥部现有的参谋人员动员起来，有的骑摩托车，有的骑自行车，有的骑马，有的跑步前进，分头通知第一、四、八、九纵队和特种兵纵队的领导，立即前来野司接受新任务。各部队就地停止待命，并向已离开野司到南线去的谭震林传话，请他就近向第二、七纵队传达和部署任务。
粟裕主持召开了作战会议，决定以第一、四、六、八、九共五个纵队担负围歼任务，以第二、三、七、十共四个纵队担负阻援任务，然后周密地规定了各纵队的任务和动作，要求特种兵纵队集结待命。
陈毅强调说，集中优势兵力，先打分散孤立之敌，是毛主席一贯的军事思想。在敌人强大兵团展开进攻时，通常是打击敌人侧翼有利。但是当敌人连续遭到这种打击而防范严密、特别谨慎，同时中央之敌却比较疏忽大意、转进冒尖，而我军又在其附近隐蔽集结了相当兵力的情况下，采取一面抗住援敌，一面集中优势兵力猛攻中央之敌的战术，同样可以达到赢得战役的目的。这次围歼敌七十四师，就是这种打法，叫作“从百万军中取上将首级”。
会议决定，战役从5月13日黄昏发起。
就在此时，部队接连收到中央军委两份电报。电报中指出：敌人已进犯，可选择好打的，歼灭其一两个军，“究打何路最好，由你们当机决策，立付施行，我们不遥控”。13日，华野发电报向中央报告了围歼敌七十四师的决心和计划：“第一，七十四师11日开始向坦埠进攻，八十三师在青蛇寺以北跟进，二十五师在蒙阴东南为其左翼部队，桂顽则在临沂东北汤头、葛沟。第二，我们今晚集结一、四、八、九纵队向七十四师出击，于明晨完成包围。战斗需两三天，待歼灭七十四师后再视机扩大战果。”
歼灭敌七十四师的决定被传达下去，使得军心振奋。曾经在华野部队流行过的顺口溜被改成了：“陈司令的电报啪啪啪，咱们的飞毛腿嚓嚓嚓！”
国民党军重兵云集在孟良崮地区。5月12日早晨，天蒙蒙亮，进攻坦埠的国民党军第一兵团在汤恩伯指挥下继续发动攻势。七十四师想抢头功，冲得最快，他们甩开两翼掩护部队，由垛庄经孟良崮西麓，向坦埠以南位于杨家寨、孤山一带的华东野战军第九纵队许世友部展开了猛烈进攻。
国民党军第二十五师、第六十五师在左翼猛烈攻击，第八十三师、第七军和第四十八师在右翼向坦埠推进。
面对强敌，陈、粟、谭三位首长决定由九个纵队打七十四师，其中以五个纵队，即第一、第四、第六、第八、第九纵队担负突击任务；以第二、第三、第七、第十共四个纵队担负阻援任务。
陈毅、粟裕还给每个纵队下达了具体作战任务。第一、第八纵队从敌整编第七十四师的左右两翼迂回穿插，抢占芦山，并会同由鲁南兼程北上的第六纵队断敌后路，封闭合围口；第四、第九纵队正面出击。五个纵队协同围歼该敌。具体任务区分为：第一纵队（附独立师）以一个师攻占蒙阴以东的曹庄，阻击敌第六十五师，主力从敌第七十四师与第二十五师的接合部揳入，割断该两师的联系，阻击敌第二十五师，并协同友邻第六、第八纵队攻占垛庄、芦山，断敌第七十四师退路，从左侧后攻歼该敌；第八纵队从敌第七十四师与第八十三师的接合部揳入，割断该两师的联系，以主力一部阻击第八十三师，主力迅速攻占万泉山、芦山，与一纵队沟通联系，协同友邻从右侧后攻歼敌第七十四师；第四纵队首先控制北楼以北山地，阻击敌继续向坦埠进攻，而后抢占孟良崮，协同友邻向芦山突击，从正面攻歼第七十四师；第九纵队首先控制坦埠及以南山地，坚决抗击第七十四师，而后攻占雕窝，协同友邻向芦山突击，从正面攻歼第七十四师；隐伏在鲁南敌后的第六纵队，取捷径兼程北上，在第一纵队协同下攻占垛庄，断敌退路，而后协同友邻攻歼第七十四师。
以第十纵队钳制莱芜敌第五军，阻其南援；第三纵队进至新泰东南，阻击新泰敌第十一师南援；第七纵队配属特纵榴炮团，阻击河阳敌第七军和第四十八师北援；第二纵队进至界湖、张庄集地区，保障第八纵队左翼安全，并策应第七纵队作战。
特纵主力集结待命。鲁南军区地方武装加强在临沂及临泰公路沿线的袭扰、破坏。
任务下达后，陈毅、粟裕要求各个纵队层层动员，充分发扬民主，研究战法，并再三叮嘱：七十四师是强中强之敌，不可粗心大意，战术上要高度重视，要研究战法，不能麻痹轻敌，而且要作好打恶仗、打硬仗的思想准备！
5月13日黄昏，孟良崮战役拉开了帷幕。
华野各部冒着猛烈炮火，向敌七十四师发动攻势。四纵首先攻击敌七十四师五十一旅据守的马山、佛山、上高湖、南山、罗汉山等地，歼敌一部；九纵攻占马牧池、隋家店，逼近孟良崮、芦山地区；一纵在叶飞指挥下当夜占领曹庄川北地区，夺取了黄斗山、尧山、大山场，切断了敌七十四师退向垛庄的公路；八纵在王建安指挥下攻占桃长山、磊石山、鼻子山等要点，割裂了敌七十四师与八十三师的联系；六纵在王必成指挥下经两夜的急行军由铜山到达距垛庄20公里的观目、白埠，于15日攻占垛庄。激战至15日拂晓，四纵、九纵到达唐家峪子、赵家城子一线，八纵占领万泉山，一、三、八纵相互取得联系。这样，华野部队形成了对敌七十四师的合围。
张灵甫察觉到自己已被华野围在孟良崮地区，虽然吃了一惊，但并不怎么慌张。他一面命令部队登上孟良崮山顶固守待援，一面口授电报，向蒋介石报告情况，并建议以七十四师吸引华野，待诸军赶来合围。
蒋介石接到张灵甫的电报，深感事态严重，心知一旦处理不好，七十四师就要被华野吃掉。但他又觉得七十四师是美械装备，战斗力很强，华野没有能力吞掉七十四师，这也许正是国民党军同陈粟部队决战的好机会。机不可失，时不再来，不能白白丢掉眼前的战机！他便命令七十四师张灵甫坚守阵地、吸引共军主力，又调动十个师之兵力增援七十四师，以图里应外合，中心开花，夹击共军，决战一场。
电报发完后，蒋介石仍不放心。他亲自乘专机飞抵徐州，坐镇督战，怒气腾腾地发出了“畏敌不前者杀！作战不力者杀……”的“十杀令”。在蒋介石、顾祝同的亲自指挥下，国民党军十个整编师，从外围对华东野战军形成了反包围。
张灵甫虽身临绝境，却毫不慌张。他自恃建制完备，武器精良，官会指挥，兵会打仗，依托山头高地可以固守，要求空投弹药、粮秣易如反掌。即使战局发展于己不利，有那么多外围援军相救，摆脱险境也不困难。
5月15日这一天，华野指挥部气氛很紧张。陈毅、粟裕脸色冷峻，他俩从敌人活动中发现蒋介石企图在孟良崮进行决战，形势很严峻。这次战役敌我双方以主力对主力，以进攻对进攻，是一场决战。敌人的突击能力很强，增援的敌人已经靠近了，如果不能在短时间解决敌七十四师，我华东部队会陷入被动，不仅吃不掉敌七十四师，反而会被包围。陈毅、粟裕决心在24小时内消灭敌七十四师，决不能让敌增援部队向七十四师靠拢。陈毅给各纵队打电话鼓劲。15日10时，陈毅给一纵司令员叶飞打电话说：“蒋介石拼死和我们决战。你们要不惜一切代价，把孟良崮拿下来，把七十四师消灭掉！”随后又给四、六、八、九纵队司令员陶勇、王必成、王建安、许世友打电话，说道：“聚歼七十四师，成败在此一举！你们部队被打掉1000人，我给你补充1000人；你们部队被打掉2000人，我给你补充2000人。谁攻上孟良崮，谁就是英雄！”各纵司令员在电话里异口同声地保证：“请司令员放心，我们绝不会让七十四师一兵一卒逃走！”
粟裕要求各级领导靠前指挥，必要时，师长当团长，团长当营长，营长当连长，彻底消灭敌七十四师。
陈毅与粟裕商定，在5月15日下午发起总攻。为了便于密切观察和指挥作战，粟裕率领少数参谋、机要人员组成的前线指挥所由坦埠西移，他们到艾山脚下的张林村附近的一个“千人洞”指挥作战。
陈毅还向部队喊出了“歼灭七十四师，活捉张灵甫”的口号。广大指战员立下了“攻上孟良崮，活捉张灵甫”“消灭七十四师立大功，红旗插上最高峰”的誓言，各级指挥员到第一线指挥，一场剧烈的攻坚战展开了。
雕窝山位于孟良崮主峰的东侧，山势陡峭，是通向芦山、孟良崮的必经之路，敌有一个营固守。15日拂晓，九纵七十六团二营、三营在炮兵支援下，向雕窝山守敌发起猛攻，经五个多小时的激战，于11时许攻占该山。守敌深知雕窝山失守，危及主峰，遂于12时，乘华野九纵七十六团立足未稳，组织部队反扑，结果得手。七十六团领导见势，迅速调整部署，于13时再次发动攻势，经反复争夺，终于在次日8时打垮守敌，重占雕窝山，为攻击芦山、孟良崮主峰开辟通道。
五四零高地为孟良崮的天然屏障。一纵以六个团投入战斗。所属独立师三个团由杨家庄、叶家沟地域，一师一团由二八五高地以南，二师四团、六团由二八五高地以北，于15日16时向五四零高地发起攻击。结果几次攻击均未能奏效。纵队政治部主任汤光恢见势，到前沿阵地鼓动士气，并要求各师团领导靠前指挥。调整进攻部署后，他带领部队于5月16日2时发起第二次攻击。四团一连五班班长、共产党员曹相佐腹部中弹，以左手塞回肠子，按住伤口，以右手连续向敌扔出五颗手榴弹。在莱芜战役中建立殊勋的一纵一团一连，即“人民功臣第一连”，则利用敌照明弹的光亮，对准敌群，大显排子手榴弹威风，迫敌步步后退。16日拂晓，一纵五个进攻团乘敌溃败之势，各以一部迅速攀上西五四零高地。
四纵十师三十团六连和二十九团二连，在与上级中断联络之后，从山坡侧后攀缘而上，秘密接敌，与一纵先头部队同时攻上西五四零高地主峰。
守敌为夺回五四零高地，以整营整团兵力连续进行反扑，在华野一纵和四纵顽强抗击下，被迫回窜至东五四零高地。16日13时，四纵在一纵等部队协同下，经激烈战斗，攻击五四零高地得手，歼敌五十一旅大部，迫残敌逃至六零零高地和孟良崮。
芦山主峰为各峰之冠。华野八纵二十三师和六纵四十九团担负攻击任务。16日上午，二十三师分三路向芦山发起猛攻，各攻击部队以猛烈火力很快摧毁敌第一、第二道外围阵地。六十七团的“安丘连”，以迅雷不及掩耳之势率先突入敌阵。“刘光荣班”战士彭德忠像猛虎般扑向敌人机枪手，夺过机枪向敌群横扫，打得敌人鬼哭狼嚎。随后，六十九团“李干排”在战斗英雄张希春副连长率领下，首先冲上山顶。紧接着，六十八团一营在李浩营长率领下也冲上顶峰。
六纵负责主攻的部队于5月15日下午3时许，迅即向敌七十四师展开了猛烈攻势。十七师的四十九团、五十团配合友邻八纵队向孟良崮的侧翼发起攻击。十八师的五十三团、五十四团向敌七十四师的外围阵地横山、官山、大山场一线猛打猛攻。
晚7时许，五十四团、五十三团集中力量攻歼业家沟、杨家庄的敌人。他们先以十分猛烈的排炮轰击，炸得敌阵地碎石横飞、浓烟滚滚，使敌人遭受严重杀伤，抬不起头来。然后，攻击部队在强大炮火掩护下，勇猛冲击，一举突入敌阵，完全占领了业家沟、杨家庄、大山场。
眼看七十四师这支“御林军”大难临头，蒋介石急得六神无主、万念俱灰。他再次向外围的十个整编师发出了最严厉的手令：
山东共匪主力今已向我倾巢出动，此为我军歼灭共匪、完成革命唯一之良机，如有萎靡犹豫、逡巡不前或赴援不力、中途停顿者……必以误国纵匪、贻误战机严究论罪，决不宽容！
第一兵团司令官汤恩伯也向所属各部发出急电：“张灵甫师孤军奋战，处境艰危。各部务须击破共军包围，救袍泽于危困，不得见死不救……”
在蒋介石、汤恩伯的严令督促下，国民党外围十个整编师的增援部队，都疯狂地向孟良崮地区攻击前进，与华野外围阻援部队展开了空前惨烈的大血战。
经连续几天血战，来增援的蒋军各部都被挡在包围圈外面。号称五大主力之一的第五军被十纵挡在莱芜一线，号称五大主力之一的整编十一师被三纵挡在蒙阴以北。
敌整编四十八师被二纵和七纵挡住，举步艰难。
敌整编二十五、八十三师被一纵、六纵各一部挡在天马山以西，他们进至与七十四师的距离尚有5公里之地时就再也前进不了了，除打炮以示支援，别的什么招数也施展不了。
5月16日下午，粟裕命令：“一、四纵队向南，九纵队向西南，八纵队向东南，六纵队向西，准备向孟良崮和六零零高地发起最后攻击。并令特纵榴弹炮团迅速开进依汶庄、马牧池以东地区，作好射击准备，到时候要不计消耗，集中火力向孟良崮和六零零高地轰击。”
随着华野指挥部的三颗信号弹升空，各路炮兵向敌军密集的山头高地倾泻炮弹，炸得敌人心惊胆战。一向号称训练有素、作战有方的敌七十四师，在华野炮兵的打击下，失去指挥，队不成形，变为乌合之众。敌五十一旅旅长陈传钧看到这般情景，急得把望远镜扔在地上，气得把作战地图撕得粉碎，连声叹道：“这下子我可就要暴尸荒山野岭了！”
华野主攻部队以神勇无敌的气概向孟良崮敌七十四师残部猛扑。
在嘹亮激昂的冲锋号声中，华野部队从四面八方像潮水般拥向孟良崮主峰。漫山遍野都响彻华野部队雄壮的口号声：
“打下孟良崮，活捉张灵甫！”
“活捉张灵甫，打烂王牌虎！”
张灵甫在孟良崮主峰的一个山洞中，声嘶力竭地向二十五师师长黄百韬、八十三师师长李天霞呼救：“李师长、黄师长，赶快向我靠拢，赶快向我靠拢……看在党国的分上，拉兄弟一把吧！”
平日骄横自负的张灵甫，此时顾不得什么体面了，发出绝望的哀号！
六纵特务团首先突破孟良崮西侧，直取敌七十四师指挥所盘踞的山洞。
他们刚刚打上孟良崮主峰，便遭到一千多敌人的拼死反扑。于是，他们集中所有轻重机枪向敌猛烈扫射，冲入敌阵展开白刃战，当即全歼该部。敌率领残部反扑的参谋长魏振铖被华野生俘。
特务团三连冲到洞口，张灵甫卫队二十多人刚要露出头，立即被杀伤。但就在这洞口冲杀的瞬间，三连指导员邵志汉英勇牺牲了。
战士们向洞内猛扫猛投复仇的机枪子弹、手榴弹，随着洞内敌人发出惨死的号叫声，一切抵抗停止了。
他们冲进洞内，发现戴着中将军衔的敌师长张灵甫已经被华野的汤姆枪子弹击中，倒在血泊之中。
与张灵甫同时在洞中被华野特务团击毙的还有：敌七十四师副师长蔡仁杰，敌五十八旅旅长卢醒、副旅长明灿、团长周安义……
张灵甫一伙被击毙之前，曾以无线电告知蒋介石，诉说友军见死不救，对李天霞没有派出部队掩护七十四师右侧的做法极为不满，并说这是导致七十四师失败的主要原因。随后，他将指挥所的副师长以下、团长以上军官的姓名报告了蒋介石，决心“集体自杀，以报校长培育之恩”。电报发出后，副师长蔡仁杰、五十八旅旅长卢醒拿出老婆和孩子的照片，泣不成声，不肯自杀；副参谋长李运良假装自杀，弄得满脸血污，卧在石洞外装死。
我军在收拢部队、清点战果时，发现被击毙、俘虏人数比七十四师编制数少得多，遂命令各部进行战场搜索，不让一个敌人漏网。此时，黑云盖天，山雨欲来，能见度极低，搜索部队在孟良崮与雕窝山之间发现了数千敌人。粟裕即令第四、八、九纵队出动兜抄，至下午5时全部肃清。至此，敌七十四师彻底被歼灭。粟裕打电话向陈毅报告以上情况，陈毅在电话里兴奋地说：“我在电话里向全体将士致敬！”
华野仅用了三天时间，以伤亡1.2万人的代价，全歼了拥有全副美式装备、号称“国军模范”“常胜铁军”“御林军”的国民党王牌主力——整编第七十四师。几天后，陈毅为歌颂指战员血战孟良崮的事迹，特赋诗一首：
孟良崮上鬼神号，七十四师无地逃。
蒋贼专横嗟命薄，美帝侵略徒空劳。
华东战场捉笼鸟，沂蒙山区似虎牢。
原野麦黄家家足，人民军队胆气豪。
敌七十四师全军覆没的消息传到南京后，如同晴天霹雳震动了整个国民党统治中心。蒋介石痛心疾首、老泪纵横，他再三哀叹：“以我绝对优势之革命武力，竟为劣势乌合之匪众所陷害，真是空前大的损失！”七十四师覆灭后不久，国民党政府在南京玄武湖畔为七十四师和张灵甫立了一块纪念碑，上书“杀身成仁”四个血红的大字。蒋介石还特地为张灵甫颁发了第三号“旌忠状”，并下令将山东蒙阴县改名为灵甫县，还将一艘驱逐舰命名为“灵甫号”。
6月9日，华野为在孟良崮战役中放下武器的原敌第七十四师将校军官举行时事座谈会，陈毅和到会者见面，一一握手并致以慰问。当将校们谈到七十四师失败的原因时，陈毅说：“历来国民党军失败均归咎于国防部、归咎于陈诚。我在此替陈诚分辩几句，其实陈诚本人也很难做主，一切都有蒋介石老头子紧紧控制着。”谈到蒋军失败的原因，陈毅说：“蒋介石在北伐中期叛变人民，走上法西斯独裁专政的道路。蒋介石的这一条反人民的错误政治路线，必然产生错误的战略路线。在蒋介石独裁媚外的政策与战略的双重错误下，国民党军队遭受失败是必然的。例如，贵军在抗战中的战功表现很好，战斗力亦堪为国民党军队之冠。可是一到内战战场，仍然逃不脱被歼的命运。各位应深深研究其中的原因。”陈毅又说，“各位此来，我应负责照料大家、爱护大家。贵师长张灵甫、副师长蔡仁杰之牺牲，毫无意义，应该惋惜。对于能够留在解放区内好好研究问题、重新认识问题，各位应视为平生最大幸事。我们能帮助你们的地方，一定尽量帮助你们，绝不为难。”
敌整编第七十四师班长以上官佐，除被击毙和击伤送医者外，都被集中到了俘管处。这就形成了七十四师一个较完整的建制俘虏军官集体。七十四师是蒋军“精锐之精锐”“建军模范”，研究该师就可了解蒋军一般主力部队的轮廓与特点。华野觉得，这不仅有利于对俘虏的审查教育，而且是一个从俘虏中获取重要情报、研究敌军、知彼知己、以战教战的极好机会。华野决定对七十四师的被俘官佐提高一级审俘待遇，班长当尉官、尉官当校官处理，详细审讯与调研。由华野联络部长吴宪同志牵头，并参照缴获的文件资料，分历史沿革、组织编制、官兵成分与素质、官兵训练、新兵补训与残部概况、参谋补给、卫生业务、参加战役经过及检讨、惯用战法、政治情况与“政治”工作共十个专题，经三个星期的突击，写成了一本十万余字的《蒋军七十四师的调查研究》，由钟期光题写书名。朱总司令得悉索要该书。除此之外，俘管处还组织七十四师被俘官兵进行训练、作战表演，让华野官兵来参观；指挥部将《蒋军七十四师的调查研究》下发部队，发动全野战军研究七十四师，洞悉敌军的长处与短处，改进华野的战术技术。这对后来华野的作战胜利产生了良好的影响。