东野战军指挥部作出决定，于百万军中取张灵甫首级，部署5倍于七十四师的兵力进行围歼，4倍于七十四师的兵力担任阻援任务，誓死一战。

    第二天，华东野战军全线发起攻击，经过1天激战，将七十四师合围于孟良崮地区。七十四师遭遇到华东野战军的正面攻击，而且它的左右两翼友邻部队在野战军攻击下向后撤退，自己陷入了孤立无援的境地。七十四师到这时候，才明白了华东野战军的战略意图，也明白了华东野战军要吃掉自己的决心。张灵甫已有撤退之意，无奈华东野战军以双腿赛过汽车的速度，占领七十四师撤退的必经之路，彻底切断了七十四师的退路。张灵甫只得硬着头皮作战。

    蒋介石听到自己的王牌军陷于重围，立即由南京飞到徐州督战。不过，蒋介石还是过高地估计了自己的力量。他一面严令张灵甫固守阵地，以七十四师为中心，死死拖住敌人；一面紧催10个整编师火速向孟良崮靠拢，内外夹击，实现反包围，歼灭华东野战军主力，结束山东战事。这样一来，张灵甫根本是毫无退路，只得豁出去，盘踞孟良崮，等候援军。

    华东野战军几乎也陷入了毫无退路的绝境，他们面临的形势十分险恶。战斗不能再拖，我军必须迅速解决整编七十四师；还要挡住增援之敌，为歼灭整编七十四师赢得时间。张灵甫的援军离主要战场孟良崮不过一两天的路程，为此，陈毅、粟裕都到第一线督战，率领部队冲锋，力求歼灭七十四师，活捉张灵甫！

    华东野战军目的明确，方向清晰。有了指挥员的一线督战，士气高涨，5月15日，我华东野战军发起总攻。张灵甫此时差不多到了山穷水尽的最后关头，兵力不济，步炮火力不足，投补极其困难，人员、马匹完全暴露在对方炮火之下。但张灵甫依旧负隅顽抗，垂死挣扎。孟良崮战役激烈的程度，为解放战争以来所罕见。

    野战军以死相搏、志在必得的劲头把张灵甫逼上了绝路。张灵甫在最后时刻，频频向各方呼救。蒋介石严令各路援军前进，甚至发出了死命令：“如有萎靡犹豫，逡巡不前或赴援不力，中途停顿，以致友军危亡，必定以畏匪避战，严究论罪不贷。”

    蒋介石先后命令出动飞机493架次，进行侦察、轰炸扫射和空投支援，都无济于事。增援最快的整编二十五、八十三师与七十四师相距仅5公里，炮弹已能打到孟良崮，却依旧在战线前沿徘徊。国民党部队每次实战，临到最后关头，还是考虑自己安危，裹足不前。张灵甫万万没想到，以自身强大的实力，会在周边10万援军的坐视中被歼。

    孟良崮战役，华东野战军以伤亡1万多人的代价，歼灭整编七十四师3万多人，张灵甫最后与几名部下集体自尽。他在死前留有遗书：“十余万之匪向我猛扑，今日战况更趋恶化，弹尽援绝，水粮俱无。我与仁杰决战至最后一弹，饮诀成仁，上报国家与领袖，下答人民与部属。老父来京未见，痛极！望善待之。幼子望养育之。玉玲吾妻，今永诀矣！”

    这次战役的胜利，重创了国民党军对山东的重点进攻，迫使其暂时转入守势，同时有力地配合了陕北及其他战场的胜利攻势。

    在国民党重兵环伺下，华东野战军迅速撤离战场，令蒋介石再决一战的计划落空。全歼整编七十四师，在心理上给其沉重一击，蒋介石曾经坦言，孟良崮战役的失败是内战以来最痛心、最惋惜的一件事，是无可补偿的损失。至此，国民党在山东的攻势暂时告一段落。

    张灵甫作战之骁勇是公认的。早年，在对日作战中，张灵甫在战火中断了一条腿。孟良崮战役后，解放军最后从死人堆里找出一具装有假肢的尸体，得以确认其身份。对于张灵甫的死，当年国民党方面为了稳定军心，曾大肆宣扬张灵甫“杀身成仁，为党尽忠”，蒋介石更在其《痛悼七十四师檄文》中说