1947年3月，蔣介石決定將對解放區的全面進攻改為對山東、陝北的重點進攻。進攻山東解放區的國民黨軍約45萬人，編為3個機動兵團，在陸軍總司令顧祝同的指揮下，採取密集靠攏、穩紮穩打、齊頭並進的戰法，由南向北向魯中山區推進，企圖消滅華東野戰軍主力或迫其北渡黃河。
3月下旬，國民黨軍對山東解放區的進犯正式開始。他們吸取以往屢遭殲滅的教訓，改變了戰法，兵力集中，行動謹慎。4月中旬，國民黨軍打通了津浦鐵路徐州至濟南段，佔領了魯南山區後，接著向魯中山區繼續推進。
華東野戰軍時南時北，或東或西，忽分忽聚，在「耍龍燈」式的高度機動迴旋過程中調動和迷惑敵人，並從中尋找戰機。但由於國民黨軍密集推進，不輕易分兵，華東野戰軍除4月下旬在泰安殲滅國民黨軍整編第 72 師主力外，幾次作戰計劃均未實現。
5月4日和6日，中共中央軍委兩次電示華東野戰軍：「敵軍密集不好打，忍耐待機。不要性急，不要分兵，總有殲敵機會。」華東野戰軍司令員兼政治委員陳毅和副司令員粟裕根據中央軍委的指示，於5月上旬調整部署，將主力東移，後撤一步。
蔣介石以為華東野戰軍後撤是由於攻勢疲憊，無力再戰，因此，他於5月10日命令進攻山東解放區的國民黨軍跟蹤進剿。顧祝同根據蔣介石的意思，下令進犯山東的3個兵團放開膽子向博山、沂水一線疾進。
國民黨軍第1兵團在司令湯恩伯的率領下，改變了原定的穩紮穩打戰法，不等其餘兩個兵團統一行動，就以整編第74師為骨幹，以整編第25、第83師相配合，同時由第7軍和整編第48、第65師在左右兩側擔任掩護，於5月11日進攻華東野戰軍指揮部所在地坦埠，並企圖乘隙佔領沂水至蒙陰的公路。
國民黨軍第7軍、整編第48師由河陽出動， 11日當天先頭部隊就進佔了苗家區、界湖，並繼續向沂水進犯。由於該敵所處的位置較為暴露，經商議，陳毅、粟裕決定首先殲滅這股敵人並視機消滅其援軍。
作戰命令下達後，華東野戰軍又查明國民黨軍整編第74師正向坦埠快速推進。整編第74師下轄第51、第57和第58旅，全部美械裝備，經過美軍訓練，屬國民黨軍甲種裝備師，號稱國民黨軍「五大主力」之一，是蔣介石嫡系中的精銳之師，被譽為「榮譽軍」、「御林軍」。
整編第74師師長張靈甫是蔣介石的得意門生，中將軍銜，一貫以常勝將軍、少壯派自居。國民黨軍進犯山東以來，他常率部打頭陣，攻淮陰、占漣水，氣焰極為囂張。如果能殲滅該師，必將極大震撼敵軍，瓦解其士氣。
陳毅、粟裕判斷：整編第74師處於較突出位置，與左右相鄰部隊距離較遠，便於分割圍殲；張靈甫驕橫跋扈，與其他部隊矛盾較深，如被圍殲一定不會得到積極救援；蒙陰、沂水地區地形複雜，便於華東野戰軍隱蔽集結和尋隙穿插；華東野戰軍主力位於該師進攻的正面，不需要大的調整就可集中5倍於敵的兵力。
深思熟慮後，陳毅、粟裕一致認為先殲滅整編第74師更為有利，於是果斷改變原定的先打國民黨軍第7軍、整編第48師的作戰方案。12日晨，他們向華東野戰軍下達了殲滅國民黨軍整編第74師的命令，並命令正在東移的各部隊立即西返蒙陰以東、坦埠以南地區。
13日下午，華東野戰軍召開了各縱隊領導參加的作戰會議。粟裕首先進行了戰鬥部署：「第1、第4、第6、第8、第9縱隊擔任主攻，第2、第3、第7、第10縱隊負責阻援，地方武裝牽制各路援敵並在臨沂、臨泰公路沿線敵人後方進行襲擾。」
接著，粟裕詳細闡述了5個主攻縱隊的任務：「敵 74 師孤軍突出，兩翼缺乏保障， 1縱在右， 8縱在左，向敵人兩翼穿插，把74師從敵人第一線 8 個師當中剜割出來；4縱、9 縱南壓，6縱由魯南北上。我們以5個縱隊的兵力，從四面向里圍攻，把敵人聚殲在孟良崮山區。」
粟裕說完，陳毅接著說：「蔣介石對陝北、山東進行重點進攻，陝北那邊有毛主席親自指揮，勝利肯定沒問題！山東就全靠大家了。圍殲74師這叫百萬軍中取上將首級，大家有這個勇氣嗎？」「有，堅決消滅74師！」屋裡沸騰了起來。
會議結束後，各縱隊領導回歸所部，全軍開始了緊張的戰前動員和各項準備工作。領導機關及時完成了戰役的組織工作；地方支前機構積極調運糧食；各部隊則準時抵達集結位置，完成了出擊準備。廣大指戰員摩拳擦掌，決心在這一仗中殺敵立功。
下午4時，就在華東野戰軍進行戰前準備時，國民黨軍整編第74師在整編第25師和整編第83師掩護下，自垛庄北進，接連佔領楊家寨、佛山角、馬牧池等地，距其主要攻擊目標坦埠已不足10公里。
這時，張靈甫發現坦埠附近有華東野戰軍重兵集結，繼續進攻恐有不利，決定當晚部隊縮踞在楊家寨一線。在「魯境國軍勢如破竹」的鼓雜訊中，張靈甫命令各部連夜做好繼續進攻的準備，妄圖於14日一舉攻佔坦埠。
13日晚，華東野戰軍主攻部隊開始出擊。1縱獨立師沿著崎嶇的山路，向以整編第74師為核心的國民黨軍縱深穿插，1個多小時後，部隊進入了敵人的陣地。只見兩邊山腳下國民黨軍的陣地上有新挖的工事，山頂上隱約有點點燈光，天空中不時有敵機飛過。
1縱副司令員何克希一邊走一邊用手指著前方的敵陣地，對1縱政治委員譚啟龍說：「老譚，你看，前面就是敵人了！」「是啊！敵人給我們留下了穿插的空隙。」譚啟龍幽默地說。
沂蒙山區多奇峰怪石，有不少山四周陡峭，頂部平坦，當地人稱為「崮」。國民黨軍依仗優勢裝備，進犯山東以來一貫驕橫狂妄，即便到了沂蒙山區也是如此。他們根本沒有預料到華東野戰軍會突然插入他們的陣地，當1縱進入敵陣地時，居然沒有一聲報警的槍聲。
伴隨著山間的濃霧，經過一夜的穿插，到天拂曉時，1縱接近了敵人的縱深——天馬山和蛤蟆崮，兩側山上敵人的機槍工事已依稀可見。何克希立即向1縱獨立師師長方升普下令：「趕快佔領一線山頭陣地，確保部隊繼續穿插！」
方師長一抖馬韁繩，迅速向前衛團跑去。不久，隨著信號彈的升起，獨立師「嘩」的一聲向兩面的山上摸去。獨立師不愧是戰鬥力強的老部隊，全體官兵精神抖擻，向敵人的陣地迅猛撲去。
一陣槍炮聲、手榴彈聲過後，方師長的電話就打到了何克希和譚啟龍所在的前方指揮所，他興奮地說：「報告首長，敵人的工事很簡單，我們一個衝擊，就衝垮了它。我們現在已佔領天馬山、蛤蟆崮，切斷了敵25師和74師的聯繫。」
5月14日天亮後，進攻沂蒙山區的國民黨軍發現情況嚴重，於是整編第74師、整編第25師和自蒙陰東援的整編第65師，在幾十架飛機的掩護下，集中炮火向華東野戰軍1縱陣地上轟擊，炮彈、炸彈滿山爆炸，彈片、石片到處飛舞。
華東野戰軍佔領此地不久，還沒來得及構建工事，指戰員們暴露在毫無隱蔽的石頭山上，然而官兵們毫不畏懼，奮不顧身地英勇戰鬥，打垮了敵人一次又一次的反撲。
13日晚，除1縱外，華東野戰軍其他縱隊也都按預定計划出擊。8縱主力從國民黨軍整編第74師和整編第83師的接合部插入，以割斷其聯繫；6縱從魯南敵後的銅石地區星夜兼程，疾速北上，以斷敵退路；4縱、9縱從正面向敵發起進攻。
到14日上午，1縱主力攻佔堯山、天馬山、界牌等地，割斷了國民黨軍整編第74師和整編第25師的聯繫，並殲敵整編第25師一部，逼迫該師大部縮回桃墟地區；1縱第3師攻佔曹庄及其以北高地，逼近蒙陰，構築了從正面阻擊整編第65師的堅固陣地。
8縱攻佔了桃花山、鼻子山、孟良崮東南的橫山、老貓窩等要點，切斷了國民黨軍整編第74師和整編第83師的聯繫；4縱、9縱佔領黃鹿寨、佛山及馬牧池一線，扼制了整編第74師的進攻；6縱於14日早晨到達距離垛庄西南20公里的觀上、白埠地區。至此，華東野戰軍對國民黨軍整編第74師的包圍態勢大體形成。
14日上午，當張靈甫得知天馬山、馬牧池等地失守後，如夢初醒，預感到有被圍殲的危險，立即傳令部隊收縮，向南邊的孟良崮、垛庄方向撤退。頓時，沂蒙公路上整編第74師的騾馬、車輛和部隊擁擠在一起，黑壓壓的一片。
華東野戰軍發現整編第74師南撤，立即乘勝猛攻，雙方激戰至14日夜。華東野戰軍充分發揮夜戰特長，連續組織進攻。至15日拂曉，4縱、9縱進佔唐家峪子、趙家城子一線；6縱佔領了垛庄，截斷了整編第74師的退路；8縱攻佔萬泉山，同1縱、6縱打通了聯繫，形成了從四面對整編第74師的完全包圍。
整編第 74 師發現垛庄被佔領後，只得退縮到孟良崮地區，山區路途艱險，為了減輕負擔，74 師不得不把一部分美式重炮等重型裝備丟棄；整編第83師在向南撤退時，其第57團因退路被截斷，也退到了孟良崮。
15日上午，華東野戰軍將退到孟良崮及其周邊山地的國民黨軍整編第74師及整編第83師57團完全包圍。孟良崮及其周圍山峰陡峭，岩石累累，土質堅硬，易守難攻。
蔣介石獲知整編第74師被華東野戰軍包圍，雖感吃驚，但認為該師戰鬥力強，所處地形有利，又控制了制高點，必能堅守。只要左右鄰近部隊快速增援，74師不僅不會被殲滅，還可以創造一個與華東野戰軍決戰的大好機會。
於是，蔣介石緊急電令張靈甫固守待援，牽制住華東野戰軍主力。同時，他嚴令整編第11師、整編第65師、整編第25師、整編第83師、第7軍、整編第48師等部，火速向整編第74師靠攏，並調第5軍南下，整編第20師從大汶口向蒙陰前進，妄圖用10個整編師的兵力將華東野戰軍殲滅在蒙陰、青駝寺地區。
張靈甫認為雖經連夜激戰，但他的部隊建制依然完整，戰鬥力還很強，加上孟良崮易守難攻的地形優勢，將華東野戰軍牢牢吸引在自己周圍，等到外圍援軍趕到，然后里應外合，將華東野戰軍全殲的把握很大。因此，他一面請求空投糧彈，一面調整部署，修築工事，固守待援。
陳毅、粟裕很快獲知蔣介石的陰謀。此時，雖然華東野戰軍5個縱隊包圍著整編第74師，但國民黨軍有10個整編師的兵力從外圍包圍了華東野戰軍，且多數增援部隊距孟良崮只有一兩天的路程。陳毅當即命令各阻援部隊，堅決阻住援敵，主攻部隊加速猛攻，把孟良崮儘快拿下來，殲滅整編第74師這個軸心。
陳毅親自對指戰員做戰前動員，提出「殲滅74師，活捉張靈甫」的口號，號召大家一定要在援敵趕到前全殲74師。指戰員們雖連日苦戰，但個個精神抖擻，高呼著「攻上孟良崮，活捉張靈甫」的誓言，紛紛請戰，表示堅決完成殲敵任務，戰鬥情緒極為高昂。
15日下午1時，華東野戰軍發起總攻，5個縱隊所有炮火集中轟擊孟良崮，所有主攻部隊向孟良崮高峰挺進！「轟..轟...」「噠噠噠噠··」槍炮聲響徹整個山谷。華東野戰軍各級指揮員身先士卒，始終衝鋒在前。
整編第74師在所有可以攀登的地方都設置了鹿砦，凡是較大的岩石裂縫，都修築了掩體或防炮洞，加上居高臨下、武器精良，華東野戰軍的圍殲戰打成了一場極其艱難、激烈的攻堅戰。每攻克一個陣地，都要經過數次甚至數十次衝鋒，有的陣地得而復失，幾次易手。
華東野戰軍首長對戰況密切關注，每隔幾分鐘就給前線打電話詢問，並一再指示前線指揮員：「要爭取時間，時間就是勝利！」「堅決消滅74師，絕不放走一兵一卒！」
經過反覆衝殺，華東野戰軍各部逐漸向孟良崮崮頂和周圍高地逼近。孟良崮基本上屬於荒山禿嶺，草木極少，水源奇缺，國民黨軍空投的糧彈和水囊又大都落到了華東野戰軍的陣地上，整編第74師陷入了極端饑渴難支的狼狽困境。
面對缺水、斷糧的困境，作為國民黨軍王牌師的整編第74師並非浪得虛名，反擊仍然頑強凌厲，整個孟良崮地區槍炮如雨，火光衝天，戰況的激烈程度為解放戰爭以來所未見。
15日晚，整編第74師被壓縮在孟良崮、蘆山等東西3公里、南北2公里的幾個山頭上，人員、馬匹和輜重密布在各個山頭、山谷，完全暴露在華東野戰軍的強大炮火之下，傷亡不斷增加。
張靈甫漸漸感到難以支撐，他很納悶增援部隊為何遲遲不到，於是撥通了離他較近的整編第83師師長李天霞的電話：「李師長，我是張靈甫，你們到哪兒了？現在我已被共軍完全包圍，形勢萬分危急，你要快速向我靠攏，快速向我靠攏啊！」
李天霞是個有名的滑頭，平日又與張靈甫積怨甚深，此刻他故意耍起了鬼把戲：「張師長啊，我部接到增援命令後立刻就全力出擊了！但是，共軍火力實在太猛，幾十次衝鋒都被打了回來。你們一定要堅持住，堅持就是勝利嘛！」
張靈甫氣得把電話摔在桌上，「鈴鈴鈴」電話又響了，參謀把電話遞給張靈甫，他擺手拒接。副師長蔡仁傑接過電話說：「我是蔡仁傑。」「哦，我是李天霞，告訴你們張師長，我部19旅距你師已不足6里。」李天霞在電話里哇哇直叫。
事實上，李天霞早已接到蔣介石親自簽發的增援整編第74師的電令，但他卻有意拖延時間，只派了他最弱的部隊第19旅57團象徵性地打了一下，主力則保存實力，緩慢前進。
湯恩伯得知李天霞消極增援的情況後，立即給他打電話：「李師長，你們進攻的速度太慢了，這樣怎麼能解救得了74師？我不管你平時跟張靈甫有多大恩怨，但此時一定要精誠團結，大局為重，否則軍法從事！」
聽了湯恩伯的死命令，慣打滑頭仗的李天霞嚇出了一身冷汗，他再也不敢怠慢，立刻組織部隊在坦克掩護下，全力向孟良崮靠攏。
蔣介石得知增援部隊被阻，他的「御林軍」整編第74師陷入危局，急電下令各部不惜一切代價以最快速度增援孟良崮。在蔣介石、湯恩伯的嚴令督促下，國民黨外圍10個整編師的增援部隊，瘋狂地向孟良崮地區攻擊前進，與華東野戰軍阻援部隊展開了空前慘烈的大血戰。
整編第25師以兩個團的兵力，在飛機大炮的掩護下，向華東野戰軍界牌阻擊陣地發起猛攻。華東野戰軍1縱3師的1個營以突然、短促、密集的火力，給來犯之敵以重大殺傷，連續擊退國民黨軍的4次衝鋒，迫使敵人撤至南大平、陡山一線。
緊接著，國民黨軍集結整編第25師和整編第65師的部分兵力，又向華東野戰軍浮山阻擊陣地發起猛攻，堅守在浮山陣地西南小高地的1縱1師3團首先告急，1師迅速派出師預備隊馳援，與3團協力打退了國民黨軍的進攻。
不甘心失敗的敵人又以重兵向1師3團堅守的另一陣地蛤蟆崮擁來。頃刻間，蛤蟆崮上炮聲隆隆，殺聲震天。1縱副司令員何克希給在蛤蟆崮指揮阻擊的1師政委曾如清打來電話：「目前最大的困難是什麼？」曾政委回答：「最大困難是缺人，不過，師長已指示2團抽人增援3團。請首長放心，一定守住陣地！」
很快，2團派來增援的部隊趕到，他們從側面向瘋狂進攻的敵人實施反擊，「噠噠噠噠··」敵我雙方展開異常激烈的衝殺。最終在2團的有力反擊和3團的頑強堅守下，蛤蟆崮陣地守住了。
15日下午，國民黨軍整編第25師猛攻華東野戰軍1縱1師9團把守的天馬山阻擊陣地。在強大的火力掩護下，國民黨軍以密集的隊形，分多路向天馬山猛衝，由於敵我力量懸殊，敵人很快衝到了山腰。此時9團官兵們的子彈基本打完了，大家搬來石頭、上好刺刀，準備跟敵人肉搏，以生命捍衛陣地。
關鍵時刻，1師師長廖政國從3團陣地上抽調出一個連，迅速增援9團。該連疾風閃電般突然從敵人身後衝殺出來，本以為馬上就要把9團全殲的敵人毫無防備，亂作一團，9團的指戰員們趁勢搬起石頭砸向敵人，「啊··啊···」在一片慘叫聲中，國民黨軍紛紛潰退下去。
在華東野戰軍阻援部隊的浴血奮戰下，最終，國民黨軍10個整編師都被死死擋在了孟良崮外。而此時的整編第74師困獸猶鬥，他們還做著援軍一定會到來的美夢。
15日整晚，華東野戰軍主力圍殲整編第74師的戰鬥進入白熱化，各攻擊部隊集中炮火向龜縮在孟良崮地區的國民黨軍整編第74師猛烈轟擊，並乘夜組織兵力對敵陣地發起一次次衝鋒，孟良崮上隆隆的炮聲和喊殺聲徹夜未停。
16 日拂曉，華東野戰軍主攻部隊經過無數次反覆衝擊，終於攻佔了孟良崮上的520高地，並靠近了整編第74師核心陣地540高地。這時，困守在540高地上的國民黨軍似乎還沒想到全軍覆滅的命運正在等著他們，竟狂妄地向華東野戰軍喊叫起來：「天亮了，我們的援軍馬上就要到了，你們跑不掉了！」
話音剛落，華東野戰軍的攻擊就開始了，幾十挺輕重機槍、幾十門小炮和擲彈筒同時向山上的敵人開火。霎那間，孟良崮上炮聲如雷，響徹雲霄。
在猛烈的炮火掩護下，華東野戰軍連續向敵540高地發起衝鋒。激戰中，4團1連5班班長曹相佐腹部中彈，他用左手把流出來的腸子塞回去，按住傷口，用右手連續向敵人扔出5顆手榴彈。
有「人民功臣第一連」光榮稱號的1縱1團1連，向敵群投出一排排手榴彈，在「轟···轟···」的爆炸聲中，逼迫敵人步步後退。經過反覆浴血衝殺，華東野戰軍終於在16日拂曉攻佔了540高地。
16日上午，主攻部隊集中強大的炮兵火力，向孟良崮上整編第74師所在的山頭、高地展開更為猛烈的轟擊。在華東野戰軍強大的炮火打擊下，孟良固上山石、彈片亂飛，許多國民黨軍被碎石、彈片擊傷，血肉橫飛，傷亡慘重，戰鬥隊形開始混亂。
在炮兵穩准狠的火力支援下，華東野戰軍步兵發起一波接一波的衝擊，他們越戰越勇，指戰員們不待上級命令，哪裡有敵人就沖向哪裡。除了以火力消滅敵人外，衝進敵陣地的指戰員與敵軍拼起了刺刀，在金屬的撞擊聲和敵人的慘叫聲中，華東野戰軍接連攻佔了一個個陣地。
眼看自己的得意門生和「御林軍」大難臨頭，蔣介石急得六神無主。16日上午8時，他再次向外圍的10個整編師發出了最嚴厲的手令：「山東共匪已向我傾巢出動，此為我軍剿滅共匪之良機，如有萎靡猶豫，逡巡不前或赴援不力，中途停頓者···必以誤國縱匪貽誤戰機論罪，絕不寬容。」
16日下午，湯恩伯也向所屬各部發出急電：「張靈甫師孤軍奮戰，處境艱危，各部務須擊破共軍包圍，救胞澤於危困，不得見死不救.·..」
在蔣介石和湯恩伯的嚴令下，國民黨軍各增援部隊拼力前進，無奈華東野戰軍阻援部隊異常英勇。敵人各路援軍中只有整編第25、第83師逼近了孟良崮，其中一支部隊與整編第74師僅相距5公里左右，都能聽到孟良崮上的槍炮聲了，但也只是聽響而已，不但沒能救援74師，自身也遭到重大傷亡。
孟良崮上不時有炮彈爆炸，碎石橫飛，塵土瀰漫。在整編第74師的臨時指揮部里，張靈甫頭戴鋼盔盯著作戰地圖，參謀們則在不停地打電話請求增援。
副師長蔡仁傑拿一份電報疾步走向張靈甫：「師座，湯司令來電。」「念！」張靈甫說。蔡仁傑湊上前小聲說：「湯司令讓我們再堅持最後5分鐘，他已經命令離咱們最近的83師和25師快速前進了，他們距孟良崮不到2公里了。」
「堅持，堅持，就會他媽的胡說，5分鐘他們就能趕到嗎？連200米也上不來。給我接25師黃師長！」電話兵「喂，喂喂··」地喊個不停。可是，怎麼喊都沒有回應，原來整編第74師與整編第25師指揮部之間的電話線早已被炸斷了。
氣急敗壞的張靈甫一拍桌子：「給我接湯恩伯。」「湯司令，我74師已深陷共軍重圍，危在旦夕。值此危急時刻，請你看在黨國的份上，伸出手來，拉兄弟一把，拉兄弟一把！」張靈甫幾乎用乞求的語氣對電話另一頭的湯恩伯講道。
「張師長，你要沉住氣，沉住氣，一定要頂住，援軍馬上就到，馬上就到！」湯恩伯在電話里大聲地喊著。張靈甫正要對電話里說什麼時，「蹬蹬蹬蹬」從外面跑進來3個軍官：「報告師座，共軍就要打上來了！」
張靈甫慌忙放下手中的電話，拔出手槍，大聲喊道：「頂住，給我頂住！」「噠噠噠噠，噠噠噠噠···」在他的命令下，山上的國民黨軍依託機槍火力，進行最後的垂死掙扎。
在華東野戰軍主攻部隊的連續激烈衝殺下，到16日下午，號稱王牌的國民黨軍整編第74師終於被打垮了。華東野戰軍第1、第4、第6、第8、第9共5個縱隊排山倒海般地攻上孟良崮上的所有高地，勝利的歡呼聲響成一片，驚天動地。
山上遍地都是敵人的屍體，成群的殘敵紛紛繳械投降，猖狂一時的張靈甫和副師長蔡仁傑在激戰中被擊斃，大批的彈藥物資和美式裝備成了華東野戰軍的戰利品。
就在華東野戰軍進行收攏部隊和清點戰果時，突然發現孟良崮地區仍有敵電台在活動。華東野戰軍立即進行嚴密搜索，發現有約7000餘敵趁著當時能見度低隱藏在孟良崮附近的山谷中。各部隊立即不顧疲勞，同殘敵展開激戰，到下午5時，殘敵被全部肅清。
在華東野戰軍主力圍殲整編第74師的過程中，擔任阻援任務的第2、第3、第7、第10縱隊及魯南、濱海軍區部隊，積極牽制和阻擊各路援敵，打退了敵人一波又一波的進攻，國民黨各路援軍始終未能跨入華東野戰軍包圍圈一步，而且均遭到重大殺傷。
孟良崮戰役中，國民黨空軍還出動飛機493架次，進行偵察搜索、空投支援、狂轟濫炸，但都無濟於事，無法挽救整編第 74 師被殲滅的命運。
魯中軍區人民群眾在國民黨軍進攻時，實行了徹底的空舍清野，使其無法得到糧草和情報，給敵人造成很大困難；當華東野戰軍出擊時，老百姓紛紛返回家鄉，做飯燒水，支援作戰，並組織了20多萬民工支援前線，搶運傷員，運送彈藥、糧食。
孟良崮戰役中，華東野戰軍殲滅被譽為國民黨軍「五大主力」之一的整編第74師和整編第83師1個團共3.2萬人，擊斃中將師長張靈甫，徹底粉碎了國民黨軍的「魯中決戰」計劃，重挫了國民黨軍對山東的重點進攻，極大地震動了國民黨軍內部。蔣介石痛心疾首地說：「孟良崮的失敗是空前的大損失！」
孟良崮戰役以氣吞山河的氣魄，創造了人民解放軍在國民黨軍重兵集團密集並進態勢下，從敵陣線中央割殲其進攻主力的範例。迫使國民黨軍暫時停止了對山東解放區的進攻，1個多月不敢再出擊，對華東戰局的轉變起到了重要作用，同時有力地配合了陝北及其他戰場。
