1947年3月，蒋介石决定将对解放区的全面进攻改为对山东、陕北的重点进攻。进攻山东解放区的国民党军约45万人，编为3个机动兵团，在陆军总司令顾祝同的指挥下，采取密集靠拢、稳扎稳打、齐头并进的战法，由南向北向鲁中山区推进，企图消灭华东野战军主力或迫其北渡黄河。
3月下旬，国民党军对山东解放区的进犯正式开始。他们吸取以往屡遭歼灭的教训，改变了战法，兵力集中，行动谨慎。4月中旬，国民党军打通了津浦铁路徐州至济南段，占领了鲁南山区后，接着向鲁中山区继续推进。
华东野战军时南时北，或东或西，忽分忽聚，在“耍龙灯”式的高度机动回旋过程中调动和迷惑敌人，并从中寻找战机。但由于国民党军密集推进，不轻易分兵，华东野战军除4月下旬在泰安歼灭国民党军整编第 72 师主力外，几次作战计划均未实现。
5月4日和6日，中共中央军委两次电示华东野战军：“敌军密集不好打，忍耐待机。不要性急，不要分兵，总有歼敌机会。”华东野战军司令员兼政治委员陈毅和副司令员粟裕根据中央军委的指示，于5月上旬调整部署，将主力东移，后撤一步。
蒋介石以为华东野战军后撤是由于攻势疲惫，无力再战，因此，他于5月10日命令进攻山东解放区的国民党军跟踪进剿。顾祝同根据蒋介石的意思，下令进犯山东的3个兵团放开胆子向博山、沂水一线疾进。
国民党军第1兵团在司令汤恩伯的率领下，改变了原定的稳扎稳打战法，不等其余两个兵团统一行动，就以整编第74师为骨干，以整编第25、第83师相配合，同时由第7军和整编第48、第65师在左右两侧担任掩护，于5月11日进攻华东野战军指挥部所在地坦埠，并企图乘隙占领沂水至蒙阴的公路。
国民党军第7军、整编第48师由河阳出动， 11日当天先头部队就进占了苗家区、界湖，并继续向沂水进犯。由于该敌所处的位置较为暴露，经商议，陈毅、粟裕决定首先歼灭这股敌人并视机消灭其援军。
作战命令下达后，华东野战军又查明国民党军整编第74师正向坦埠快速推进。整编第74师下辖第51、第57和第58旅，全部美械装备，经过美军训练，属国民党军甲种装备师，号称国民党军“五大主力”之一，是蒋介石嫡系中的精锐之师，被誉为“荣誉军”、“御林军”。
整编第74师师长张灵甫是蒋介石的得意门生，中将军衔，一贯以常胜将军、少壮派自居。国民党军进犯山东以来，他常率部打头阵，攻淮阴、占涟水，气焰极为嚣张。如果能歼灭该师，必将极大震撼敌军，瓦解其士气。
陈毅、粟裕判断：整编第74师处于较突出位置，与左右相邻部队距离较远，便于分割围歼；张灵甫骄横跋扈，与其他部队矛盾较深，如被围歼一定不会得到积极救援；蒙阴、沂水地区地形复杂，便于华东野战军隐蔽集结和寻隙穿插；华东野战军主力位于该师进攻的正面，不需要大的调整就可集中5倍于敌的兵力。
深思熟虑后，陈毅、粟裕一致认为先歼灭整编第74师更为有利，于是果断改变原定的先打国民党军第7军、整编第48师的作战方案。12日晨，他们向华东野战军下达了歼灭国民党军整编第74师的命令，并命令正在东移的各部队立即西返蒙阴以东、坦埠以南地区。
13日下午，华东野战军召开了各纵队领导参加的作战会议。粟裕首先进行了战斗部署：“第1、第4、第6、第8、第9纵队担任主攻，第2、第3、第7、第10纵队负责阻援，地方武装牵制各路援敌并在临沂、临泰公路沿线敌人后方进行袭扰。”
接着，粟裕详细阐述了5个主攻纵队的任务：“敌 74 师孤军突出，两翼缺乏保障， 1纵在右， 8纵在左，向敌人两翼穿插，把74师从敌人第一线 8 个师当中剜割出来；4纵、9 纵南压，6纵由鲁南北上。我们以5个纵队的兵力，从四面向里围攻，把敌人聚歼在孟良崮山区。”
粟裕说完，陈毅接着说：“蒋介石对陕北、山东进行重点进攻，陕北那边有毛主席亲自指挥，胜利肯定没问题！山东就全靠大家了。围歼74师这叫百万军中取上将首级，大家有这个勇气吗？”“有，坚决消灭74师！”屋里沸腾了起来。
会议结束后，各纵队领导回归所部，全军开始了紧张的战前动员和各项准备工作。领导机关及时完成了战役的组织工作；地方支前机构积极调运粮食；各部队则准时抵达集结位置，完成了出击准备。广大指战员摩拳擦掌，决心在这一仗中杀敌立功。
下午4时，就在华东野战军进行战前准备时，国民党军整编第74师在整编第25师和整编第83师掩护下，自垛庄北进，接连占领杨家寨、佛山角、马牧池等地，距其主要攻击目标坦埠已不足10公里。
这时，张灵甫发现坦埠附近有华东野战军重兵集结，继续进攻恐有不利，决定当晚部队缩踞在杨家寨一线。在“鲁境国军势如破竹”的鼓噪声中，张灵甫命令各部连夜做好继续进攻的准备，妄图于14日一举攻占坦埠。
13日晚，华东野战军主攻部队开始出击。1纵独立师沿着崎岖的山路，向以整编第74师为核心的国民党军纵深穿插，1个多小时后，部队进入了敌人的阵地。只见两边山脚下国民党军的阵地上有新挖的工事，山顶上隐约有点点灯光，天空中不时有敌机飞过。
1纵副司令员何克希一边走一边用手指着前方的敌阵地，对1纵政治委员谭启龙说：“老谭，你看，前面就是敌人了！”“是啊！敌人给我们留下了穿插的空隙。”谭启龙幽默地说。
沂蒙山区多奇峰怪石，有不少山四周陡峭，顶部平坦，当地人称为“崮”。国民党军依仗优势装备，进犯山东以来一贯骄横狂妄，即便到了沂蒙山区也是如此。他们根本没有预料到华东野战军会突然插入他们的阵地，当1纵进入敌阵地时，居然没有一声报警的枪声。
伴随着山间的浓雾，经过一夜的穿插，到天拂晓时，1纵接近了敌人的纵深——天马山和蛤蟆崮，两侧山上敌人的机枪工事已依稀可见。何克希立即向1纵独立师师长方升普下令：“赶快占领一线山头阵地，确保部队继续穿插！”
方师长一抖马缰绳，迅速向前卫团跑去。不久，随着信号弹的升起，独立师“哗”的一声向两面的山上摸去。独立师不愧是战斗力强的老部队，全体官兵精神抖擞，向敌人的阵地迅猛扑去。
一阵枪炮声、手榴弹声过后，方师长的电话就打到了何克希和谭启龙所在的前方指挥所，他兴奋地说：“报告首长，敌人的工事很简单，我们一个冲击，就冲垮了它。我们现在已占领天马山、蛤蟆崮，切断了敌25师和74师的联系。”
5月14日天亮后，进攻沂蒙山区的国民党军发现情况严重，于是整编第74师、整编第25师和自蒙阴东援的整编第65师，在几十架飞机的掩护下，集中炮火向华东野战军1纵阵地上轰击，炮弹、炸弹满山爆炸，弹片、石片到处飞舞。
华东野战军占领此地不久，还没来得及构建工事，指战员们暴露在毫无隐蔽的石头山上，然而官兵们毫不畏惧，奋不顾身地英勇战斗，打垮了敌人一次又一次的反扑。
13日晚，除1纵外，华东野战军其他纵队也都按预定计划出击。8纵主力从国民党军整编第74师和整编第83师的接合部插入，以割断其联系；6纵从鲁南敌后的铜石地区星夜兼程，疾速北上，以断敌退路；4纵、9纵从正面向敌发起进攻。
到14日上午，1纵主力攻占尧山、天马山、界牌等地，割断了国民党军整编第74师和整编第25师的联系，并歼敌整编第25师一部，逼迫该师大部缩回桃墟地区；1纵第3师攻占曹庄及其以北高地，逼近蒙阴，构筑了从正面阻击整编第65师的坚固阵地。
8纵攻占了桃花山、鼻子山、孟良崮东南的横山、老猫窝等要点，切断了国民党军整编第74师和整编第83师的联系；4纵、9纵占领黄鹿寨、佛山及马牧池一线，扼制了整编第74师的进攻；6纵于14日早晨到达距离垛庄西南20公里的观上、白埠地区。至此，华东野战军对国民党军整编第74师的包围态势大体形成。
14日上午，当张灵甫得知天马山、马牧池等地失守后，如梦初醒，预感到有被围歼的危险，立即传令部队收缩，向南边的孟良崮、垛庄方向撤退。顿时，沂蒙公路上整编第74师的骡马、车辆和部队拥挤在一起，黑压压的一片。
华东野战军发现整编第74师南撤，立即乘胜猛攻，双方激战至14日夜。华东野战军充分发挥夜战特长，连续组织进攻。至15日拂晓，4纵、9纵进占唐家峪子、赵家城子一线；6纵占领了垛庄，截断了整编第74师的退路；8纵攻占万泉山，同1纵、6纵打通了联系，形成了从四面对整编第74师的完全包围。
整编第 74 师发现垛庄被占领后，只得退缩到孟良崮地区，山区路途艰险，为了减轻负担，74 师不得不把一部分美式重炮等重型装备丢弃；整编第83师在向南撤退时，其第57团因退路被截断，也退到了孟良崮。
15日上午，华东野战军将退到孟良崮及其周边山地的国民党军整编第74师及整编第83师57团完全包围。孟良崮及其周围山峰陡峭，岩石累累，土质坚硬，易守难攻。
蒋介石获知整编第74师被华东野战军包围，虽感吃惊，但认为该师战斗力强，所处地形有利，又控制了制高点，必能坚守。只要左右邻近部队快速增援，74师不仅不会被歼灭，还可以创造一个与华东野战军决战的大好机会。
于是，蒋介石紧急电令张灵甫固守待援，牵制住华东野战军主力。同时，他严令整编第11师、整编第65师、整编第25师、整编第83师、第7军、整编第48师等部，火速向整编第74师靠拢，并调第5军南下，整编第20师从大汶口向蒙阴前进，妄图用10个整编师的兵力将华东野战军歼灭在蒙阴、青驼寺地区。
张灵甫认为虽经连夜激战，但他的部队建制依然完整，战斗力还很强，加上孟良崮易守难攻的地形优势，将华东野战军牢牢吸引在自己周围，等到外围援军赶到，然后里应外合，将华东野战军全歼的把握很大。因此，他一面请求空投粮弹，一面调整部署，修筑工事，固守待援。
陈毅、粟裕很快获知蒋介石的阴谋。此时，虽然华东野战军5个纵队包围着整编第74师，但国民党军有10个整编师的兵力从外围包围了华东野战军，且多数增援部队距孟良崮只有一两天的路程。陈毅当即命令各阻援部队，坚决阻住援敌，主攻部队加速猛攻，把孟良崮尽快拿下来，歼灭整编第74师这个轴心。
陈毅亲自对指战员做战前动员，提出“歼灭74师，活捉张灵甫”的口号，号召大家一定要在援敌赶到前全歼74师。指战员们虽连日苦战，但个个精神抖擞，高呼着“攻上孟良崮，活捉张灵甫”的誓言，纷纷请战，表示坚决完成歼敌任务，战斗情绪极为高昂。
15日下午1时，华东野战军发起总攻，5个纵队所有炮火集中轰击孟良崮，所有主攻部队向孟良崮高峰挺进！“轰..轰...”“哒哒哒哒··”枪炮声响彻整个山谷。华东野战军各级指挥员身先士卒，始终冲锋在前。
整编第74师在所有可以攀登的地方都设置了鹿砦，凡是较大的岩石裂缝，都修筑了掩体或防炮洞，加上居高临下、武器精良，华东野战军的围歼战打成了一场极其艰难、激烈的攻坚战。每攻克一个阵地，都要经过数次甚至数十次冲锋，有的阵地得而复失，几次易手。
华东野战军首长对战况密切关注，每隔几分钟就给前线打电话询问，并一再指示前线指挥员：“要争取时间，时间就是胜利！”“坚决消灭74师，绝不放走一兵一卒！”
经过反复冲杀，华东野战军各部逐渐向孟良崮崮顶和周围高地逼近。孟良崮基本上属于荒山秃岭，草木极少，水源奇缺，国民党军空投的粮弹和水囊又大都落到了华东野战军的阵地上，整编第74师陷入了极端饥渴难支的狼狈困境。
面对缺水、断粮的困境，作为国民党军王牌师的整编第74师并非浪得虚名，反击仍然顽强凌厉，整个孟良崮地区枪炮如雨，火光冲天，战况的激烈程度为解放战争以来所未见。
15日晚，整编第74师被压缩在孟良崮、芦山等东西3公里、南北2公里的几个山头上，人员、马匹和辎重密布在各个山头、山谷，完全暴露在华东野战军的强大炮火之下，伤亡不断增加。
张灵甫渐渐感到难以支撑，他很纳闷增援部队为何迟迟不到，于是拨通了离他较近的整编第83师师长李天霞的电话：“李师长，我是张灵甫，你们到哪儿了？现在我已被共军完全包围，形势万分危急，你要快速向我靠拢，快速向我靠拢啊！”
李天霞是个有名的滑头，平日又与张灵甫积怨甚深，此刻他故意耍起了鬼把戏：“张师长啊，我部接到增援命令后立刻就全力出击了！但是，共军火力实在太猛，几十次冲锋都被打了回来。你们一定要坚持住，坚持就是胜利嘛！”
张灵甫气得把电话摔在桌上，“铃铃铃”电话又响了，参谋把电话递给张灵甫，他摆手拒接。副师长蔡仁杰接过电话说：“我是蔡仁杰。”“哦，我是李天霞，告诉你们张师长，我部19旅距你师已不足6里。”李天霞在电话里哇哇直叫。
事实上，李天霞早已接到蒋介石亲自签发的增援整编第74师的电令，但他却有意拖延时间，只派了他最弱的部队第19旅57团象征性地打了一下，主力则保存实力，缓慢前进。
汤恩伯得知李天霞消极增援的情况后，立即给他打电话：“李师长，你们进攻的速度太慢了，这样怎么能解救得了74师？我不管你平时跟张灵甫有多大恩怨，但此时一定要精诚团结，大局为重，否则军法从事！”
听了汤恩伯的死命令，惯打滑头仗的李天霞吓出了一身冷汗，他再也不敢怠慢，立刻组织部队在坦克掩护下，全力向孟良崮靠拢。
蒋介石得知增援部队被阻，他的“御林军”整编第74师陷入危局，急电下令各部不惜一切代价以最快速度增援孟良崮。在蒋介石、汤恩伯的严令督促下，国民党外围10个整编师的增援部队，疯狂地向孟良崮地区攻击前进，与华东野战军阻援部队展开了空前惨烈的大血战。
整编第25师以两个团的兵力，在飞机大炮的掩护下，向华东野战军界牌阻击阵地发起猛攻。华东野战军1纵3师的1个营以突然、短促、密集的火力，给来犯之敌以重大杀伤，连续击退国民党军的4次冲锋，迫使敌人撤至南大平、陡山一线。
紧接着，国民党军集结整编第25师和整编第65师的部分兵力，又向华东野战军浮山阻击阵地发起猛攻，坚守在浮山阵地西南小高地的1纵1师3团首先告急，1师迅速派出师预备队驰援，与3团协力打退了国民党军的进攻。
不甘心失败的敌人又以重兵向1师3团坚守的另一阵地蛤蟆崮拥来。顷刻间，蛤蟆崮上炮声隆隆，杀声震天。1纵副司令员何克希给在蛤蟆崮指挥阻击的1师政委曾如清打来电话：“目前最大的困难是什么？”曾政委回答：“最大困难是缺人，不过，师长已指示2团抽人增援3团。请首长放心，一定守住阵地！”
很快，2团派来增援的部队赶到，他们从侧面向疯狂进攻的敌人实施反击，“哒哒哒哒··”敌我双方展开异常激烈的冲杀。最终在2团的有力反击和3团的顽强坚守下，蛤蟆崮阵地守住了。
15日下午，国民党军整编第25师猛攻华东野战军1纵1师9团把守的天马山阻击阵地。在强大的火力掩护下，国民党军以密集的队形，分多路向天马山猛冲，由于敌我力量悬殊，敌人很快冲到了山腰。此时9团官兵们的子弹基本打完了，大家搬来石头、上好刺刀，准备跟敌人肉搏，以生命捍卫阵地。
关键时刻，1师师长廖政国从3团阵地上抽调出一个连，迅速增援9团。该连疾风闪电般突然从敌人身后冲杀出来，本以为马上就要把9团全歼的敌人毫无防备，乱作一团，9团的指战员们趁势搬起石头砸向敌人，“啊··啊···”在一片惨叫声中，国民党军纷纷溃退下去。
在华东野战军阻援部队的浴血奋战下，最终，国民党军10个整编师都被死死挡在了孟良崮外。而此时的整编第74师困兽犹斗，他们还做着援军一定会到来的美梦。
15日整晚，华东野战军主力围歼整编第74师的战斗进入白热化，各攻击部队集中炮火向龟缩在孟良崮地区的国民党军整编第74师猛烈轰击，并乘夜组织兵力对敌阵地发起一次次冲锋，孟良崮上隆隆的炮声和喊杀声彻夜未停。
16 日拂晓，华东野战军主攻部队经过无数次反复冲击，终于攻占了孟良崮上的520高地，并靠近了整编第74师核心阵地540高地。这时，困守在540高地上的国民党军似乎还没想到全军覆灭的命运正在等着他们，竟狂妄地向华东野战军喊叫起来：“天亮了，我们的援军马上就要到了，你们跑不掉了！”
话音刚落，华东野战军的攻击就开始了，几十挺轻重机枪、几十门小炮和掷弹筒同时向山上的敌人开火。霎那间，孟良崮上炮声如雷，响彻云霄。
在猛烈的炮火掩护下，华东野战军连续向敌540高地发起冲锋。激战中，4团1连5班班长曹相佐腹部中弹，他用左手把流出来的肠子塞回去，按住伤口，用右手连续向敌人扔出5颗手榴弹。
有“人民功臣第一连”光荣称号的1纵1团1连，向敌群投出一排排手榴弹，在“轰···轰···”的爆炸声中，逼迫敌人步步后退。经过反复浴血冲杀，华东野战军终于在16日拂晓攻占了540高地。
16日上午，主攻部队集中强大的炮兵火力，向孟良崮上整编第74师所在的山头、高地展开更为猛烈的轰击。在华东野战军强大的炮火打击下，孟良固上山石、弹片乱飞，许多国民党军被碎石、弹片击伤，血肉横飞，伤亡惨重，战斗队形开始混乱。
在炮兵稳准狠的火力支援下，华东野战军步兵发起一波接一波的冲击，他们越战越勇，指战员们不待上级命令，哪里有敌人就冲向哪里。除了以火力消灭敌人外，冲进敌阵地的指战员与敌军拼起了刺刀，在金属的撞击声和敌人的惨叫声中，华东野战军接连攻占了一个个阵地。
眼看自己的得意门生和“御林军”大难临头，蒋介石急得六神无主。16日上午8时，他再次向外围的10个整编师发出了最严厉的手令：“山东共匪已向我倾巢出动，此为我军剿灭共匪之良机，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论罪，绝不宽容。”
16日下午，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，救胞泽于危困，不得见死不救.·..”
在蒋介石和汤恩伯的严令下，国民党军各增援部队拼力前进，无奈华东野战军阻援部队异常英勇。敌人各路援军中只有整编第25、第83师逼近了孟良崮，其中一支部队与整编第74师仅相距5公里左右，都能听到孟良崮上的枪炮声了，但也只是听响而已，不但没能救援74师，自身也遭到重大伤亡。
孟良崮上不时有炮弹爆炸，碎石横飞，尘土弥漫。在整编第74师的临时指挥部里，张灵甫头戴钢盔盯着作战地图，参谋们则在不停地打电话请求增援。
副师长蔡仁杰拿一份电报疾步走向张灵甫：“师座，汤司令来电。”“念！”张灵甫说。蔡仁杰凑上前小声说：“汤司令让我们再坚持最后5分钟，他已经命令离咱们最近的83师和25师快速前进了，他们距孟良崮不到2公里了。”
“坚持，坚持，就会他妈的胡说，5分钟他们就能赶到吗？连200米也上不来。给我接25师黄师长！”电话兵“喂，喂喂··”地喊个不停。可是，怎么喊都没有回应，原来整编第74师与整编第25师指挥部之间的电话线早已被炸断了。
气急败坏的张灵甫一拍桌子：“给我接汤恩伯。”“汤司令，我74师已深陷共军重围，危在旦夕。值此危急时刻，请你看在党国的份上，伸出手来，拉兄弟一把，拉兄弟一把！”张灵甫几乎用乞求的语气对电话另一头的汤恩伯讲道。
“张师长，你要沉住气，沉住气，一定要顶住，援军马上就到，马上就到！”汤恩伯在电话里大声地喊着。张灵甫正要对电话里说什么时，“蹬蹬蹬蹬”从外面跑进来3个军官：“报告师座，共军就要打上来了！”
张灵甫慌忙放下手中的电话，拔出手枪，大声喊道：“顶住，给我顶住！”“哒哒哒哒，哒哒哒哒···”在他的命令下，山上的国民党军依托机枪火力，进行最后的垂死挣扎。
在华东野战军主攻部队的连续激烈冲杀下，到16日下午，号称王牌的国民党军整编第74师终于被打垮了。华东野战军第1、第4、第6、第8、第9共5个纵队排山倒海般地攻上孟良崮上的所有高地，胜利的欢呼声响成一片，惊天动地。
山上遍地都是敌人的尸体，成群的残敌纷纷缴械投降，猖狂一时的张灵甫和副师长蔡仁杰在激战中被击毙，大批的弹药物资和美式装备成了华东野战军的战利品。
就在华东野战军进行收拢部队和清点战果时，突然发现孟良崮地区仍有敌电台在活动。华东野战军立即进行严密搜索，发现有约7000余敌趁着当时能见度低隐藏在孟良崮附近的山谷中。各部队立即不顾疲劳，同残敌展开激战，到下午5时，残敌被全部肃清。
在华东野战军主力围歼整编第74师的过程中，担任阻援任务的第2、第3、第7、第10纵队及鲁南、滨海军区部队，积极牵制和阻击各路援敌，打退了敌人一波又一波的进攻，国民党各路援军始终未能跨入华东野战军包围圈一步，而且均遭到重大杀伤。
孟良崮战役中，国民党空军还出动飞机493架次，进行侦察搜索、空投支援、狂轰滥炸，但都无济于事，无法挽救整编第 74 师被歼灭的命运。
鲁中军区人民群众在国民党军进攻时，实行了彻底的空舍清野，使其无法得到粮草和情报，给敌人造成很大困难；当华东野战军出击时，老百姓纷纷返回家乡，做饭烧水，支援作战，并组织了20多万民工支援前线，抢运伤员，运送弹药、粮食。
孟良崮战役中，华东野战军歼灭被誉为国民党军“五大主力”之一的整编第74师和整编第83师1个团共3.2万人，击毙中将师长张灵甫，彻底粉碎了国民党军的“鲁中决战”计划，重挫了国民党军对山东的重点进攻，极大地震动了国民党军内部。蒋介石痛心疾首地说：“孟良崮的失败是空前的大损失！”
孟良崮战役以气吞山河的气魄，创造了人民解放军在国民党军重兵集团密集并进态势下，从敌阵线中央割歼其进攻主力的范例。迫使国民党军暂时停止了对山东解放区的进攻，1个多月不敢再出击，对华东战局的转变起到了重要作用，同时有力地配合了陕北及其他战场。
