孟良崮战役参战方兵力：华东野战军27万人，国军24个师、60个旅约45万人，双方投入兵力都是极为罕见的，华东野战军是靠人海战术不惜代价打赢的。
1947年5月11~13日，整编第74师在整编第83，第25师掩护下自垛庄北进至黄鹿寨、旧寨、野猪旺等地，被第9纵队击退，随后占领杨家寨、佛山角、马牧池等地，准备14日攻占坦埠。
1947年5月13日上午，敌3个师又发起攻击，至下午4时惧歼后退至黄斗顶山、重山、马牧池。当晚，华东野战军第1、第8纵队以一部兵力在整编第74师正面实旋阻击，主力从其两翼寻隙向纵深楔进。
第1纵队第3师攻占曹庄及其以北高地，逼近蒙阴，构成对外正面阻击整编第65师；纵队主力攻占黄斗顶山、尧山、天马山、界牌等要点，割断了整编第74师与整编第25师的联系，并歼整编第25师一部，该师大部缩回桃墟。
第8纵队主力攻占桃花山、磊石山、鼻子山等要点，割断了整编第74师与整编第83师的联系；一部占领盂良崮东南的横山老猫窝。同时，第4、第9纵队从正面发起攻击，占领黄鹿寨、佛山及马牧池、隋家店一线，扼制了整编第74师的进攻。
第6纵队由铜石地区急速北上，于14日晨抵达垛庄西南观上、白埠地区。13日晚，整编第74师前沿据点遭到攻击时，张灵甫仍准备于14日执行攻占坦埠的计划。
1947年5月14日10时，张灵甫得知天马山，马牧池、磊石山等地失守后，预感到有被围歼的危险，即仓促向盂良崮，垛庄方向撤退，并组织一部兵力进行反击。华东野战军发现整编第74师南撤，立即乘胜猛攻。
担任正面攻击的第4、第9纵队经彻夜攻击，进占唐家峪子、赵家城子一线；第6纵队在第1纵队一部协同下，于15日拂晓攻占垛庄，截断了整编第74师的退路；第8纵队攻占万泉山，同第1、第6纵队打通了联系，在芦山、孟良崮地区形成了对整编第74帅的四面包围。
整编第74师被包围，蒋介石、顾祝同虽感吃惊，但认为该师战斗力强，所处地形有利，已控制制高点，必能坚守，如果左右邻加速增援，可造成与华东野战军主力决战的机会。
因此，除令整编第74师固守待援，牵制华东野战军主力外，严令新泰的整编第11师、蒙阴的整编第65师、桃墟的整编第25师、青鸵寺的整编第83师以及河阳、汤头的第7军、整编第48师等部迅速向整编第74师靠拢；并调第5军自莱芜南下，整编第20师自大汶口向蒙阴前进，企图用10个整编师的兵力在蒙阴、青驼寺地区歼灭华东野战军主力。
张灵甫也认为建制尚完整，部队战斗力强，居于战线中央，会得到左右邻的积极增援，因此，一面请求空投粮弹，一面调整部署，同守待援。
华东野战军指挥部鉴于蒋介石调动10个整编师的兵力来援，且多数已距盂良崮仅一至两天路程，有的只有十几公里，情况十分紧急，如不能在短时间内歼灭整编第74师，将陷入10个整编师的围攻之中。为此，于15日令阻援部队坚决阻击各路援赦，令主攻部队不惜代价加速猛攻，一定要在援赦赶到之前迅速歼灭整编第74师。
1947年5月15日晨，整74师被围困于孟良崮为核心的几个山头上，主要是520、东西540、600、610高地，及芦山、雕窝等地。13时，华东野战军发起总攻，各部队从四面八方多路突击，整编第74师竭力顽抗。
激战至16日上午，华东野战军攻占雕窝、芦山，整编第74师主阵地全部丢失。下午天阴云低，能见度很差，华东野战军以为整编第74师已被全歼，但在核算俘虏人数时，发现歼敌数与该师编制数相差万余人。部队随即严密搜索，终将整编第74师及整编第83师1个团余部全歼，击毙张灵甫。
1947年16日16时半战斗结束时，华东野战军发现敌电台在活动，粟裕命令第4、第8、第9纵队对孟良崮、雕窝间的山谷进行搜索。至18时，共搜出匿敌7000余人。
在华东野战军主力围歼整编第74师过程中，担任阻援任务的第2、第3、第7、第10纵队及鲁南、滨海等军区部队，积极牵制和阻击各路援敌。国民党军各路援军，在蒋介石、顾祝同的再三严令下虽拼力前进，有的进至距盂良崮5公里处，炮弹已能打到孟良崮，但由于遇到顽强阻击，不仅未能挽救整编第74师，而且遭到重大伤亡。
