国民党整编第74师被围后，南京的蒋介石、陈诚再也坐不住了，他们接二连三发出电令，一面好言劝慰张灵甫，一面加速调兵增援。
后来，飞到徐州督战的蒋介石，认为第74师战斗力强，且处在有利地形，临近又有强大的增援兵力，不仅没有被歼灭的危险，而且是与华东野战军决战的好机会。
于是，蒋介石异想天开地部署了所谓“磨心战术”，企图一面以第74师为“磨心”，将华东野战军主力紧紧吸住在孟良崮周围，一面紧令其第5 军、11师、64师等共10个整编师，从新泰、莱芜、河阳、汤头等地赶来增援，在蒙阴以东、汉河两岸地区进行合击。
蒋介石给张灵甫打气说：“抓住共军主力，实为难得之良机，正是你部再为党国尽力之时，务必要奏奇功于一役。”
陈诚也为张灵甫壮胆说：“我们已经下达了最严厉的命令，要外线部队立即增援你们，你们也要密切配合，来一个内外夹击，中心开花，尽歼顽敌！”
汤恩伯更是日夜忙碌，一会儿“寒西电令”一会“删已电令”，对张灵市既哄又捧，说什么“贵师为全区之枢纽”，“只要贵军站稳，则可收极大之战果”。
而此时已成为瓮中之鳖的张灵甫，却利令智昏，把74师看作“金刚钻”，自以为“战斗力强，建制完整，兵力集中”，“共军想吃也吃不动”。他竟自鸣得意地声言：“以我张灵甫为诱饵，把共军吸引在我的周围，有利于四面夹击”，“两下一挤，共军就完蛋了”。
其实，等待张灵甫的，是华东野战军“在百万军中取上将首级”之势。他的末日已经来临。
一直密切注视敌军动向的华野总部，始终充满围歼第74师的必胜信心。
陈毅在一次华东野战军的作战会议上，针锋相对地说：“白崇禧、陈诚叫张灵甫居高临下，中心开花；我就叫张灵市片甲不留，自掘坟墓！”
将第74师团团围住的华东野战军指挥员，到进攻阵地前沿一看，孟良崮及其周围山头，方圆不过数里，尽是光秃秃的石头山，山峰陡峭，草木稀疏，而被困在里面的国民党军不下4 万人。第74师没吃没喝，工事无法构筑，人马无法隐蔽，都不禁这样嘲弄：“蒋介石、陈诚真是‘天才’的指挥，明明是下了一着死棋！”
“张灵甫呀张灵甫，这下子你要出演失街亭了！”
在蒋介石“严令”督促下，国民党从东西南北各个方向前来增援的10个整编师，硬着头皮攻击前进，向74师靠拢。
战场上，出现了华东野战军5 个纵队包围着整编第74师，而国民党军却又有10个整编师包围着华东野战军的战争奇观。
如不迅速歼灭第74师，让国民党军实现了反包围，将使华东野战军部队处于危险境地，影响战役的胜利，后果不堪设想。
针对这一情况，华野前委一面命令阻援部队坚决阻击援敌，一面命令主攻部队加紧猛攻，不惜任何代价，坚决迅速。全部、彻底歼灭第74师。
陈毅向全军发出“歼灭74师，活捉张灵市”的号召，全体指战员立下了“攻上孟良崮，活捉张灵甫”，“消灭N 师立大功，红旗插上最高峰”的誓言。
粟裕打电话给第1 纵队司令员叶飞，告诉他：“战役发起后，党中央和毛主席又来了指示，说不要贪多，首先歼灭第74师，然后再另寻战机。现在，敌人的10个整编师已经被围在我军身边，先后打响。当前主要的任务是协同兄弟纵队把第74师这个轴心敲掉。这样，敌人役有依靠了，我们就可以免得两面作战。如果拖延下去，情况的逆转是难以预料的！”
陈毅也打电话给叶飞说：“蒋介石要和我们决一死战，敌人已经派重兵把我们反包围了，情况十分严重。现在关键的问题，是你们要不惜一切代价拿下孟良崮。哪怕1 、4 、6 纵打光了，只要把敌人消灭，也在所不惜。我给你们补充，恢复你们的番号！”
陈毅同志和华野前委的决心，传给了从北面主攻孟良崮的第4 纵队司令员陶勇、从南面主攻孟良崮的6 纵队司令员王必成、从东面主攻孟良崮的8 纵队司令员王建安等。
天黑以后，叶飞和1 师廖政国师长，一同来到小曹家圈。叶飞问纵队副司令何克希：“独立师打得怎么样？”
“303 高地、285 高地，经过反复争夺，整整打了一天，敌人刚才又把这两个地方夺去了！”
“拿回来厂‘叶飞果断地说。
当何克希等把叶飞的决定传达下去以后，问起了1 师那边的情况，叶飞只是淡淡的说了一句：“塔山、尧山拿回来了”。何克希立即意识到：叶飞的注意力已经不再放在这些阵地上了，更艰巨的任务在等待着他们。
果然，叶飞坐下来，叫参谋铺开军用地图，指着地图上一圈圈曲线标示的山区说：“整74师已经全部聚集在孟良崮固守待援。野司获得的情报说：敌人企图以整74师为轴心，吸引我军主力在它周围，再以10个整编师来夹击我军，实现他们与我华东野战军决战的目的，并为第74师解围。”
这时，前沿送来报告：303 、285 高地又夺回来了。
第1 纵主力经过一天的准备，第二天拂晓，猛攻东南的520 和540 高地，逼近了孟良崮。这时，右翼迂回的第8 纵队，已从东北打到孟良崮以西，围攻芦山；第9 纵队已攻占孟良崮东北高地一处；4 纵逼近520 高地；6 纵从鲁南赶来，打进垛庄、北晚、荡子郎一线。
第74师虽被压缩在孟良崮的荒山上，却仍在顽抗待援。
更艰苦的战斗也在阻击阵地上展开了。第1 纵队阻击阵地，遭受敌第25师、65师的猛烈进攻，血战竟日。
复浮山、蛤蟆圄、界牌、天马山一线，整天罩在烟火里。
从阻击阵地传来的电话不断报告：“敌人遗尸满地，还是成营成团地向山上涌，炮火没有间歇，部队不分队形，像羊群，像蜂群一样乱哄哄。”
中午，三山店、交界墩的阻击部队伤亡殆尽，阵地被国民党军强占；下午4 时，界牌被国民党军占领；随后，天马山。复浮山、蛤蟆圄全线告急，敌人已攻上天马山山腰，接着部队与指挥所失去联系。
此时，何克希手里已经没有预备部队，别的战线上的部队也赶调不及，情势非常严重，大家都为阻击阵地着急、担忧，指挥所里紧张得空无人声。
忽然，耳边响起一阵清脆的铃声。值班参谋抓起电话机，只听到廖政国师长响亮的声音：“我要作战参谋带一个连，跑步去反击天马山了！另外，我使用了友邻四纵的一个营，请报告野司，这个营暂归我们指挥。”
原来正在天马山危急之时，有一支部队在山沟里向东急进。廖政国查明是第四纵队的一个营，立即对营长说：“我是第一师师长，命令你们立即赶援天马山”。
那位营长说：“我营奉命跑步赶去攻击孟良崮，任务相当紧急”。
廖政国向烟火弥漫的天马山一指，说：“天马山阵地的得失，关系重大。如果敌人打通联系，全局皆危。我手里仅剩七八个警卫员了，只有使用所有到达这个地区的部队”。
营长考虑了一下说：“好，为了整个战役的胜利，我们执行你的命令”。
这个营赶到天马山时，附近的上下马头圄争夺战正在猛烈进行。这支主力军的投入，立即转变了情势，把已冲到山顶的国民党军压了下去。
随后，廖政国迅速把可能组织起来的非战人员，或成立一个班，或成立一个排，也先后赶去天马山，终于将敌击退，稳定了天马山阵地。
5 月15日13时，陈毅、粟裕下达了总攻第74师的命令：华野所有炮火集中轰击孟良崮诸山头，所有部队向孟良崮高峰挺进，决不准第74师跑掉一兵一卒！
发起孟良崮战役以来，华东野战军部队连日作战，虽然十分疲劳，但眼见国民党的头号“王牌”已经被困于绝境，无不精神振奋，斗志昂扬。
此时此刻，从指挥全局的华野总部，到英勇拼杀的前沿阵地，上上下下全军一心，惟一的目标和共同的誓言，就是“坚决消灭第74师，不让敌人跑掉一个！”
在艾山脚下的一条山沟里，由粟裕率领的华野前线指挥部，此刻比任何时候都更加繁忙，里里外外紧张地工作着。
粟裕是13日来到此的。这里的岩洞很多，号称“千人洞”。其实，大的不过六七米，小的只有一二米。前线指挥所设在一个“扫把形”的山洞里，上面还不停的滴答、滴答地漏水。
华野司令部人员，把洞口的石头搬搬挪挪，垒起一道抵挡蒋机飞弹的墙。又从老乡那里买来一些麦秸，在洞内铺成最简易的“床”。一部12门的交换机，三门电话单机，沟通着总部与各纵队，以及和前沿阵地的联系。
14日，陈毅也来到这里。
在那战火纷飞的年代里，这潮湿、阴暗、狭小的岩洞，竟成为叱咤风云的一代名将指挥千军万马的司令部，从这里发出的道道命令、条条指示，指导了震惊中外的“百万军中取上将首级”的激烈战斗。
陈粟要求部队不要怕敌人天上的飞机和地面的援兵，明确指出：我们有困难，敌人更困难，一定要坚持打下去，不能有丝毫的动摇！
陈粟要求炮兵狠狠地集中火力猛轰，给第74师以毁灭性打击。指示各营、连抓紧敌人挤成一堆的时机，集中强大炮火，予以准确打击！
情况紧急，战斗异常剧烈。陈毅、粟裕几乎接连两三天没有合过眼，而且等待他们的，将是更多的不眠之夜。
两军决战，拼得你死我活，敌我双方都全力以赴，几乎每个山头都要经过几番争夺，整个战场呈现出更加紧张、更加猛烈、更加残酷的激战状态。
围歼战，是一场剧烈的阵地攻坚战。
孟良崮及其周围，山峰陡峭，岩石累累，土质坚硬，所有可以攀登的地方，第74师都堆了鹿寨，凡是较大的岩石裂缝，都修筑了掩体或防弹洞，易守难攻。
华东野战军各部队，从四面八方多路展开突击。国民党军第74师和第83师第19旅第57团云集于孟良崮芦山及附近山地，依托巨石和山头阵地，居高临下，不断发起反冲击。
华东野战军每攻克一点，往往经过数次、十数次的冲锋，反复争夺，直至短兵相接，刺刀见红。战况激烈程度，为解放战争以来所少见。
经过英勇顽强的冲杀，逐次粉碎敌人的顽抗，缩小了包围圈。第74师在抵抗无效后，倾全力组织突围。在飞机轮番轰炸掩护下，张灵市指挥部队先向垛庄突围，被第6 纵队打回，改向西冲击，被第1 纵队打回，转向东面突围，又被第9 纵队打回，均未得逞，其伤亡累累。
入夜，第74师即被压缩在孟良崮芦山等东西3 公里。南北2 公里的几个山头上，人员、马匹、辎重密集于各山头、山谷，完全暴露在华东野战军的火力射击范围。
万泉山，是第74师在我军紧缩包围圈后，企图打出一条突围通路的希望所在。因此，万泉山的守军第83师第57团，倾全力向华野23师阵地进行疯狂反扑。
8 纵队的指挥部下决心攻占万泉山，歼灭第57团这个惟一与第74师联系在一起的国民党军第83师部队，以使第74师成为完全孤立之敌。万泉山成为双方激烈争夺之地。
担任主攻万泉山任务的，是擅长攻坚作战的67团。
攻击发起后，山上山下枪声大作，犹如狂风暴雨，照明弹此起彼落，明若白昼。国民党军第57团依据山头阵地，利用悬崖陡壁进行殊死顽抗，在其围墙被炸开后，又组织火力，把缺口严密封锁起来，阻止华野部队突击队前进。
战斗延续8 个小时，呈胶着状态。
67团4 连爆破英雄李洪章，拂晓前带伤再次携带炸药和手榴弹，冒着敌密集火力，接近第57团围墙进行爆破。炸药一响，敌人又匆忙堵击缺口，他一连打出几个手榴弹，将敌人击退。
这时，班长吴志宣、机枪手刘志昌，奋勇冲上山顶，迅速将突破口撕开。突击队占领阵地后，敌人连续三次反扑，都被击溃了。天快亮时战斗才结束，第57团全部覆灭于万泉山上。
连日天晴，烈日如火，天上飘着几缕浮云，没有一丝丽意。第74师粮尽水绝，饥渴难熬。
在许世友纵队控制的野猫圩沟，有一眼山泉。第74师在机关枪、迫击炮的掩护下，发起集团冲锋，拼命争夺这眼山泉。
在此攻击防守的25师对团的一个连，连续打垮敌人20多次冲锋，连指挥员接连牺牲或负重伤，先后有7 名干部战士自动代理指挥。敌人在野猫圩沟留下大片死尸，却没有得到一滴泉水。
被围困的敌人饥渴至极，有的饮马血、吞马肉，有的甚至喝马尿、人尿。第74师的粮弹给养，只得依赖蒋介石派飞机空投。
为了给飞机指示投落点，国民党军在山头摆开识别标志。华野部队指战员看到敌人铺红布，他们也铺红布；敌人换白布，他们也换白布。
在敌对双方呈胶着状态的战场上，蒋机驾驶员在空中无法分辨真假，空投下成包的馒头、大饼、饼干、牛肉等食品和弹药，大部落人华野战士手中。敌官兵好歹得到一点空投食物，各部之间又你争我夺，以至火拼起来。
正当我们的迫击炮弹打光了，得到敌机投落下的成箱炮弹，随即填进炮膛，倾泻在敌人的阵地上。
战士们眼看敌人挨了自家的炮弹，爆发出阵阵欢呼，“运输队长蒋介石真慷慨”的歌声，震荡着沂蒙的山山岭岭。
在夺取万泉山后，23师立即倾全力组织了8 个半营的兵力会攻芦山、孟良崮这两个第74师的最后阵地。
攻击顽敌第74师的中心阵地，战斗异常激烈，每前进一步都要付出血的代价。
芦山的守敌，从山脚下就开始布防，层层扼守，与我突击部队顽强冲杀，反复争夺。
各团的攻击部队，乘着黑夜夺取了敌人一、二道外围阵地。第74师立即组织反扑，在强大火力掩护下，凭借复杂地形，与我短兵相接，竭力拼杀，遭我沉重打击，伤亡极大，仍至死不退。
于是，我战士纷纷跃出工事硬拼刺刀。敌人一次反击被打垮，又一次反击打过来。一直激战到天明，攻击部队还是只能控制一、二道外围阵地。
各路国民党援军向孟良崮地区步步进逼，使得歼灭第74师的战斗不能有一刻的迟缓。
16日上午，陈毅、粟裕命令华东野战军各主攻部队，再次发起猛烈攻击。首先集中强大炮兵火力，向敌军密集的山头、高地猛烈轰击。在浓烟和火光中，敌人的血肉和岩石齐飞，一片混乱。
芦山，是孟良崮地区的最高峰，也是孟良崮主峰的屏障。第6 纵队49团在沿横山东侧出击，配合兄弟部队攻占芦山。
以“磨心‘自居的敌74师，眼看所谓”内外夹击，中心开花“将成为泡影，就失去了据守制高点顽抗的信心，把保存自己的希望放在夺路突围上。
上午10时后，饥饿疲惫的第74师官兵突然拼死挣扎，在飞机轮番轰炸扫射掩护下，从芦山与李子园、横山连洼出击，妄图向沂蒙公路垛庄一线逃命。
敌军所向，火力空前猛烈。首当其冲的，正是我向芦山攻击的49团。团指挥员果敢沉着，冒着弹雨，指挥部队全力奋勇出击。
2 营很快占领芦山与李子园之间敌人前进道路上的两个山冈。原作为机动出击的1 营，此时也登山与2 营一起，共同组织密集火力阻塞国民党军前进道路。
在强大火力杀伤了，从高地向下冲击的敌人，重叠仆倒在尸体上。刹那间，敌人尸体成堆，又给自己构成了一道突围道路上的障碍。
在我步兵与敌人英勇冲杀的同时，我军炮火也向敌纵深猛烈射击。激战15分钟，敌先头部队两千多人尽遭歼俘，后续部队立即向后清窜。这一仗，我49团俘敌近千，缴获很大，单汤姆冲锋枪，就足够装备3 个团。
第9 纵队挥部随部队进展靠前指挥，这是纵队司令员许世友的一贯作风。第9 纵队25师同26师合力攻击，奋勇冲杀，与敌人展开白刃战，有的山头反复争夺十五六次。
这时，陈毅打来电话，询问第9 纵队进展情况，许世友斩钉截铁地回答：“现在已经打成这个样子，还能让敌人跑了？我手头还有一个师没有用上，张灵甫的第74师，休想从我这里跑掉一个人！”
陈毅以他特有的宏亮嗓音说：“好！现在要不惜一切代价，把孟良崮拿下来。谁打下盂良岗，谁就是战斗英雄！”
放下电话，许世友意识到最后突击的时机已经到来，当即命令各部加强战斗组织，抽调机关人员补充战斗部队，并将所有预备队全部投入战斗。
许世友对25师师长肖镜海说：“你们师长当团长，团长当营长，营长当连长，带头冲！”各级干部遵照许世友的命令，身先士卒，给了部队极大的鼓舞。
在600 高地上，25师缴获了第74师6 门榴弹炮，一时找不到炮手。这时，在俘虏群里站出几个人，他们都是被抓壮了抓来的，早已恨透了国民党军队，都卷起袖口说：“长官，你放心，他们哪里有人，我们都知道！”说着，马上掉转炮口，向孟良崮主峰猛轰。
16日下午2 时许，是华野主攻各部队向芦山最后攻击的时刻。
突围不成、退守芦山的残敌，凭借620 高地向下猛扫机枪，猛掷手榴弹二并不时发出垂死挣扎的嚎叫。当四面的炮声发出怒吼，华野各部队冒着枪林弹雨，迅猛扑向山顶。
从正面攻击的部队冲上山腰，与敌人展开手榴弹战。敌人凭着高地向下冲击，我们的战士依赖岩石掩护向上甩掷。爆炸声响成一片。
经过20分钟的激战，第74师失去了最后的抵抗力，纷纷向后退缩。
一个连长带的队伍，好似插进敌人后背的一把钢刀，6 挺机枪一梭梭扫去，与四面蜂涌冲近山头的各友邻部队的枪弹汇在一起，像大雨倾盆泼出，敌人随着一个个栽倒下去。
敌阵中无数张嘴巴发出“缴枪啦！”“投降啦！”的哀号，倒举着枪托，挥动着高高挑起的白毛巾，或是脱下帽子，示意投降，以求保命。
攻上芦山山顶的，正是誓报涟水城下一箭之仇的第6 纵队的干部战士。
原来气壮如牛的张灵甫，再也沉着不住气了。
顶又顶不住，突又突不出去，张灵甫惟一的招数就是向蒋介石求援，向左右邻救援。
报话机频频传出张灵甫的呼救声，越来越急促。面临灭顶之灾的他，不得不一反往日那国空一切的骄横神态，向第25师师长黄百韬、第83师师长李天霞苦苦哀求：“黄先生、李先生，赶快向我靠拢！赶快向我靠拢。”“请看在党国的份上，拉兄弟一把吧！”
蒋介石眼看其“王牌军”将葬身沂蒙山区，对各路增援部队下了死命令。在16日上午8 时，74师覆灭前的8 小时，蒋介石给增援部队发出手令：“如有萎靡犹豫，巡逡不前，或赴援不力”，“以贻误战局，严究论罪不贷！”
汤恩伯这个曾挥师猛进，直取坦埠的兵团司令官，其气劲也荡然无存。
蒋介石也好，汤恩伯也好，硬软兼施都已失效，直至16日下午，各路援敌始终没有跨越我包围圈一步。
在围歼第74师的最后关头，王必成使出了“杀手铜”。只见他大吼一声：“特务团，现在是你们上的时候了，给我像刺刀一样刺进去，像猛虎一样扑上去！”
原来，王必成把特务团作为6 纵的预备队。在此之前，特务团光看着别人冲锋、战斗，自己捞不上，早就憋足了劲。特务团个个是身强力壮的棒小伙，经验丰富的战士。
接到命令，在副团长何凤山率领下，特务团像一条条出海的蛟龙，猛扑向孟良崮山顶。集中所有的轻重机枪，向敌人猛烈扫射，冲入敌阵，与敌人展开白刃格斗，很快把敌人消灭了。在俘虏群中的魏振钦，主动向我军表白身份说：“我是74师少将参谋长！”特务团继续前进，在74师指挥部——一大岗顶北侧山洞，遇到了敌人最后一次拼死抵抗。
张灵甫眼看我军已经逼近山洞，便逼迫所有龟缩到固顶的残兵败将，包括他的卫队，进行绝望的反扑。
特务团3 连在轻重机枪火力掩护下，很快冲到洞口，张灵甫的卫队长带着人刚从洞内探出头来，就被三连击倒20多人。我特务团3 连指导员邵志汉也在冲杀中中弹牺牲。
第74师副师长蔡仁杰，第58旅旅长卢醒、副旅长明灿，57旅旅长周安义先后被我击毙。
直至16日下午，整编第74师被我全歼，各路援军也均遭到重大杀伤。
张灵甫被击毙，第74师被全歼，像晴天霹雳撕破国民党首都南京的昏暗沉闷，震撼了整个国民党的反动统治中心。蒋介石痛心疾首地惊呼“以我绝对优势之革命武力。竟为劣势乌合之匪众所陷害”，“真是空前大损失，不能不令人哀痛”。
孟良崮战役，歼灭国民党军3.2 万余人，彻底粉碎了蒋介石及其统帅部的“鲁中决战”计划，严重挫败了敌对山东的重点进攻，有力地鼓舞了全国人民的胜利信心，配合了陕北及其他战场的胜利攻势。
战役结束后，国民党军第1 兵团司令汤恩伯被撤职，整编第25师师长黄百韬、第83师师长李天霞等也分别受到处分。
后来，粟裕在回顾这次战役时说：“后来的事实证明，经过孟良崮战役，敌人虽仍未放弃对山东实施重点进攻的计划，但其进攻的势头已经被打掉了，并且从上到下真正地被我们打怕了。”