本来，5月11日，汤恩伯对张灵甫曾有过劝阻，但张灵甫狂妄自大，求功心切，结果被解放军团团围住。
5月11日那天，汤恩伯随第一兵团北进，见七十四师突出大部队较远，有20里左右，赶忙驱车追上七十四师尾部，问跑在后面的士兵：“谁让你们跑这么快的？”
士兵邱万才说：“我们师长张灵甫说了，谁跑在最前面，谁活捉了陈毅、粟裕，第一个把我们的军旗插上孟良崮的，士兵升排长，排长升营长，连长升团长。”
汤恩伯大声训斥：“胡来，当心你们的命丢了。传我的命令，部队立即减速前进。”
邱万才睁着很看不起人的眼睛，说：“你是谁？你是我们师长的副官吗？”
汤恩伯气得直发抖：“我，我是你们的司令。”
邱万才也回敬道：“好大的官呢！是我们的司令，你怎么不说我们是你的祖宗呢？没有师长的命令，你说的等于零。”
汤恩伯气得简直要晕了过去。他跳上车，对司机说：“好的，回去，让张灵甫给共产党当炮灰吧！”
5月12日晨，白色的雾像一缕缕飘带，笼罩着鲁中大地，给战前的阵地蒙上一层厚重的神秘面纱。
早晨5点，七十四师师长张灵甫率部由重山、艾山间渡过汶河，占领了黄鹿寨、佛山、三角山、马牧池等地。
13日晚，我军在夜幕的掩护下，向七十四师发起攻击。
七十四师遭到攻击，部队发生动荡。张灵甫训斥部下：“不要大惊小怪，共军想一口吃掉我七十四师，他们不但不敢作，恐怕连想也未必敢想！”
我军战至14日晚，按预定计划，大体形成了对七十四师的包围态势。
当得知七十四师被重重围住之后，张灵甫不但不惊慌，反而有几分得意：“以我张灵甫为诱饵，把共军吸引在我周围，有利于四面夹击。”
大战一开，有一个小村庄吸引了敌我双方将领的注意，这就是垛庄，这是沂蒙公路上敌人赖以进退的唯一通路，也是影响到全局的关节点。粟裕令王必成率六纵从鲁南飞兵北上，直捣垛庄。汤恩伯也令张灵甫派运输团火速增援垛庄，以防不测。王必成是华野有名的虎将，以敢打硬仗著称。早在抗日战争时期，王必成就在长江两岸打出了“老虎团”的英名，曾受到刘少奇的高度赞誉。这次接到陈毅、粟裕、谭震林签发的“星夜飞兵，兼程北上”的十万火急电报之后，率部在崎岖的山路上急行军两昼夜，在敌占区隐蔽行动，长途奔袭240公里，提前拿下了垛庄。
七十四师是王必成的死对头。宿北战役中，王必成率部在涟水阻击七十四师。由于敌众我寡，加之我方指挥上的失误，被迫撤出涟水城。当时王必成就发誓：一定要消灭敌人这个“王牌”，为死难的战友报仇。
当粟裕令王必成率六纵到敌人后方隐蔽待机时，他二话没讲，只提出了一个要求：“歼敌七十四师，绝不要忘了我们六纵队！”粟裕非常熟悉他手下这员虎将的脾气，当即答复：“你放心，打七十四师，一定少不了你们！”
王必成果然不负众望，敌后出奇兵，截断了张灵甫的后路。
“五大主力”之首被围，立刻惊动了蒋介石。他急忙飞抵徐州，令顾祝同急调重兵，要求不仅要解七十四师之围，而且要趁机吃掉华野的主力。七十四师之外是我军华野的5个纵队，而蒋介石又以10个整编帅把我5个纵队反包围起来。一场恶战在华中战场已经展开。
我军被围后，陈毅立即打电话给负责指挥一、四、六纵队的叶飞司令员：“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。哪怕一、四、六纵打光了，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！”
陈毅又要通了从东北方向主攻孟良崮的九纵司令员许世友的电话：“聚歼七十四师，成败在此一举！现在要不惜一切代价，把孟良崮拿下来！你们打掉1000，我给你们补充1000；打掉2000，补充2000！谁攻上孟良崮谁就是英雄！”
14日上午，我一纵独立师、第二师不顾牺牲，猛攻孟良崮。叶飞命方升普、刘飞两个师，以一个团的兵力在山下阻击敌整编二十五师，其它5个团的兵力全力攻击。在强大攻势下，张灵甫带着部队向后撤退。见敌人后撤，粟裕立即给叶飞打电话：“敌七十四师开始后撤，第八、九两纵不可能到达，六纵也不可能，你们一定要攻占孟良崮才能阻击敌人。”叶飞随即令一师三团留守黄斗顶山一线阵地，其余两个团和三师攻击前进。
孟良崮阵地上尸陈遍地，纵横交错。
此时，敌七十四师副师长蔡仁杰站在堑壕内，望望天上的烈日，又望望山峰陡峭、怪石耸立、草木稀疏、方圆不过5里的孟良崮，脸上布满愁云。
七十四师数万入马云集在山上，饥无食，渴无水，工事也无法构筑，人马无处隐蔽。所有的汽车、大炮、坦克在上山时丢给了共军，让共军不花一文钱，捡了个大便宜。更让蔡仁杰担心的是他的上司张灵甫，一向孤高自傲，从不把任何人放在心里，万一拼到最后，谁也不来救，到那时可就哭都来不及哟！
5月14日下午，战斗重新进入白热状态。塔山、青山被七十四师重新占领。稍后又被一纵夺回。凤凰山、曹庄、天马山、蛤蟆崮阵地反复陷入七十四师的重火力攻击之下，伤亡严重。
蒋介石亲自指挥作战，严令七十四师拖住叶飞部。又令实行反包围的敌军二十五、六十五、八十三师和第五军从东、南、西三面猛烈攻击。
一纵阵地天崩地裂。七十四师迭次进攻。双方血战竟日，阵地被血与烟所淹没。
与此同时，我九纵、四纵全线发起对孟良崮的攻击。
战斗没有随太阳落山而结束，时断时续，一直在激烈地进行。
15日拂晓，一纵独立师方升普部第一团，重新夺回330高地，二师刘飞部第六团夺回25。18高地，重新占领围攻孟良崮的有利地形。第九纵二十六师攻占了敌主力扼守的要点雕窝峰。
张灵甫令其五十一旅疯狂反扑。我二十六师师长亲率指战员勇猛突击，与敌人在山头展开激烈的争夺战，几经反复，最终将敌打退。
孟良崮的激烈战斗，牵动着延安的党中央领导。中央军委致电华野：“孟良崮一役，应速解决，不要贪多。首先歼灭七十四师，然后再寻战机。。”
粟裕看了中央军委的电报，心情是沉重的。当前的严重形势令中央担心，如果双方再这样继续胶着下去，对我军将会产生不利的后果。于是粟裕立刻向各纵队发布命令：
“华野各纵：从阻击部队中抽兵，每纵都要尽最大力量，具体不限量，集中力量向孟良崮攻击，总之，一面要挡住外围的几十万大军，一面要尽快取‘中将首级’，我们务必做到。”
晚上10点钟，粟裕又要通了叶飞的电话，说：“叶飞啊，无论如何要在16日拂晓前攻上孟良崮，消灭七十四师，这样我们全盘皆活了。现在我授权你统一指挥第一、四、六、八、九纵总攻孟良崮，不论付出多大代价，哪怕拼掉两个纵队，也要完成任务。”
叶飞：“是。”
粟裕向：“什么时候可组织好总攻？”
叶飞：“需要两个钟头以后，下半夜1点可以实施总攻。我已规定了总攻信号，并同四、六、八纵通了电话，但第九纵还没同我联系上，请总部通知他们作好总攻准备。”
5月16日凌晨1时，我军向孟良崮发起总攻！
此刻，一声令下，我军阵地无数门山炮、野炮、迫击炮，铺天盖地向敌人泼去。无数炮弹从四面八方向孟良崮飞去，发出震慑敌胆的巨响，山谷的回音，更形成轰隆不绝的雷阵。
10时许，敌人突围队伍被我炮兵轰击得乱七八糟。当西边炮兵阵地发射的炮火猛烈时，敌人便慌忙挤成一堆，争先恐后地向东边山头逃命；一发现我军东边炮火轰击猛烈时，又赶忙折回。
孟良崮山上、山下，全是血肉模糊的尸体和缺胳膊断腿的伤员。
张灵甫赶忙向蒋介石、顾祝同、汤恩伯以及八十三师李天霞、二十五师黄伯韬打电话、发电报求救。他对李天霞说：“李师长，看在你我兄弟一场，在兄弟危难之机，拉兄弟一把吧！”
李天霞附和道：“张师长，这话你就见外了。我李天霞怎么能见老兄受难而不救呢？请你务必再坚持3小时，我的部队会给你解围的。”
李天霞的部队是在救援途中，但速度缓慢。
蒋介石收到张灵甫的电报后，觉得问题异常严重，立即命令二十五师黄伯韬、八十二师李天霞速救张灵甫，不得有误。
蒋介石的命令岂敢违抗，李天霞、黄伯韬随即命令所部拼死相救，但为时晚矣！
上午10时，蒋介石又命令各路增援部队：“山东共军主力今已向我倾巢出动，此为我军歼灭共军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。。必以误国纵匪贻误战机论罪，决不宽容。”
同日中午13时，汤恩伯又命所属各部：张灵甫孤军备战，处境艰危，各部务须击破共军突围，救袍泽于危困，不得见死不救。。
敌增援部队接到命令开始动作。我阻援部队奋力战斗，阻住了敌援。第十纵队宋时轮利用既设野战工事进行阻击，钳制住了第五军的增援。第三纵队何以祥部，在蒙阴北阻住了第十一师前进。韦国清、张震、成钧、江渭清部阻敌第七军第四十八师于留田以东。鲁南军区地方武装牵制住了第二十师、第六十四师，使敌人未能赶到青舵寺。
唯有敌第二十五、第八十三师逼近我军包围圈，并与七十四师相距5公里。此时，敌我已构成交叉火力。
蒋介石、汤恩伯命令其增援部队突破我军包围固，救援七十四师的过程，也是陈毅、粟裕指挥华东野战军加速向孟良崮高峰挺进，彻底消灭七十四师的过程。
粟裕给一、四、六、八、九纵指挥员打电话说：“。。聚歼七十四师，成败在此一举，望各纵同心协力，浴血参战，拿下孟良崮。”
各纵指挥员向首长表示坚决完成任务，号召战士争当战斗英雄。
许世友对二十五师师长萧镜海说：“你们师长当团长，团长当营长，营长当连长，带头冲。”
华野部队再次发起攻击。粟裕首先集中强大炮火，向蒋军密集的地区猛烈轰击，敌军死伤惨重，陷入混乱。在战役的最后关头，王必成使出了“杀手锏”。
他大吼一声：“特务团，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了六纵的预备队。特务团光看着别人打仗，自己没捞到冲锋，早就憋了一股子劲。特务团战斗力较强，个个是身强力壮的棒小伙，经验丰富的战士。一接到命令，特务团在副团长何凤山的率领下，像一条条出海的蛟龙猛扑向孟良崮山顶。立刻遭到山顶1000多敌人的拼死反扑。原来这股敌人是由七十四师参谋长率领，妄图把我军赶下去。
何凤山指挥部队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了白刃格斗，很快把敌人消灭了。在俘虏群中的魏振铖，主动向我军战士表白他的身份说：“我是七十四师少将参谋长！”
特务团继续前进，在七十四师指挥部——大崮顶北侧山洞，遇到了张灵甫的最后一次拼死挣扎。张灵甫眼看我军逼近山洞，逼使所有龟缩到崮顶的残兵败将，还有他的配有崭新快慢机的卫队，向我进行绝望的反扑。我特务团三连在轻重机枪火力掩护下，很快冲杀到洞口，张灵甫的卫队长带着人刚从洞内探出头来，就被我军杀伤20多人。在向洞中冲杀的一瞬间，我特务团三连指导员邵志汉英勇牺牲。
指导员邵志汉的牺牲，更加激怒了三连的战士。复仇的机枪子弹，手榴弹，立即从抢占的洞口向洞里猛烈扫射。就在这时，张灵甫被我军战士的汤姆枪子弹击中后脑壳，肥硕、高大的身躯像木桩似地倒在了地上。
与张灵甫同时被击毙的还有：敌七十四师副师长蔡仁杰，五十八旅旅长卢醒、副旅长明灿，五十七旅旅长周安义。此时，王必成走上山去，看着张灵甫的尸体，淡淡地一笑。孟良崮之战，共歼灭七十四师3。2万余人。国民党军队“主力中的主力”遭到了彻底的覆灭。
6月9日，陈毅召集在盂良崮战役中放下武器的七十四师将校军官座谈。陈毅说：“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。可是这样一支部队到了内战战场，仍然逃不脱被歼的命运。各位应深深研究其中的原因。”为解除他们的后顾之忧，陈毅说：“对于各位此来，我应负责照料大家，爱护大家。我们能帮助你们的地方，一定会尽量帮助你们，绝不为难。”
会后，陈毅与昔日的对手们共进晚餐。在此之前，在华野还发生了另外一个有意思的小故事。这就是在张灵甫被击毙之后，特务团的战士把张灵甫的尸体抬下了山。战士们一直抬着张灵甫的尸体走了两天，到了沂水县一个叫野猪旺的小村庄。尸体已经发出臭味，经向上级请示，决定把张灵甫埋葬在这个小村庄的边上。
遵照上级指示，六纵政治部主任皮定均，派人给张灵甫买了一口上好的棺材，给张穿上了新军装，但找不到国民党的将军服，就穿上了解放军的服装，并且把他的脸也洗得干干净净的。战死沙场的将军，应该得到一个军人的荣誉。政治部照办了。
掩埋张灵甫之前，六纵俘虏中1个少将旅长和8个上校要求最后看一眼他们的师长。六纵政治部副主任谢胜坤向皮定均请示。皮定均同意了。这个场面，是谢胜坤主持的，皮定均也到了现场。
一棵古老的松树下，没有挖坑，放着一口半人高的大棺材。棺材是从一个地主家里买来的，花了400银元的高价，十分华贵。棺材旁边放着张灵甫的尸体，已经为他穿好崭新的解放军的服装，洗过脸，伤口也进行了整饰。张灵甫身材高大，四方脸，眉毛很重，相形之下，担架显得小了。七十四师的9个将校，走到担架旁边，围成半月形，跪下，全部哭了。风从树梢头刮过去，发出呜呜的响声，伴着压着嗓子的哭泣。他们哭了一会，收住泪，站了起来。
谢胜坤、皮定均默默地看着这一切。他们站起来后，皮定均说：“这就是你们师长的下场。。他执行蒋介石的命令，积极打内战，说要3个月内消灭共党。他一路追着我们，从淮阴到涟水，从涟水到山东。结果，被消灭的不是我们，是七十四师，是张灵甫本人。”说到这里，皮定均稍微停顿了一下，又接着说道：“你们师长如此下场，是什么原因？你们认真考虑一下吧。”
张灵甫被击毙，七十四师被全歼。消息传到南京，犹如晴天的霹雳，震撼了南京城，震撼了整个国民党反动统治中心。蒋介石气急败坏，暴跳如雷，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。”
为嘉奖张灵甫的“崇高武德”和对党国的“忠贞”，蒋介石决定：在南京风景区玄武湖建立纪念七十四师的石碑；把美国送给国民党打内战的一艘炮舰改为“灵甫号”。
同时，蒋介石将第一兵团司令汤恩伯撤职，整编二十五师师长黄伯韬受到处分，整编八十三师师长李天霞战后即被押解徐州“剿总”军事法庭审判，他花了几十根金条才得以解脱。
1947年5月22日，新华社就盂良岗发表评述，这也代表了党中央和毛泽东对这次战役的看法：
“华东人民解放军和华东解放区的人民，在全国人民的爱国自卫战争中，担负的任务最严重，得到的成就也最荣耀。”
四、浴血豫东
是否分兵南下，粟裕再次和中央意见发生分歧。在中原地区打大仗，