11日，整编第七十四师（师长张灵甫）按计划向坦埠进攻，五十一旅为先锋，五十八旅、五十七旅梯次跟进。  整编74师是国民党军首屈一指的精锐王牌
11日晚，华东野战军（指挥官陈毅、粟裕）侦察部门获悉汤恩伯发给其部下的部署电，立即呈送粟裕。12日晨下达命令，决定战役于13日黄昏发起。  粟裕(左二)在指挥孟良崮战役
13日，先头部队一五一团在马山遭遇华东野战军第1、第8纵队以一部兵力的顽强阻击，激战数小时才占领马山东西之线。张灵甫此时仍盲目乐观，向汤恩伯夸口“14日上午必占坦埠”，甚至提前准备好观战瞭望所。但他没意识到，解放军的顽强抵抗是包围计划的一部分。  华东野战军奔赴孟良崮战场
13日夜，马山战斗正酣时，华东野战军主力从左右两翼南下：一部驱逐黄斗顶山的整六十五师小部队，直插七十四师左侧背天马山，截断其后路；另一部包围整八十三师的五十七团，阻止其北上增援。至14日拂晓，整编第七十四师已陷入解放军的初步包围。 华东野战军以5个纵队、10万兵力从正面对74师实施围攻。 惊慌失措的张灵甫下令沿原路南撤，企图退往孟良崮。但此时后路要地垛庄已被解放军攻占，守备的人力输送团全灭。14日午后，七十四师被彻底包围在孟良崮地区，与左右两翼友军（整二十五、八十三师）虽仅距十余里，却被解放军阻隔，通讯时断时续。 
张灵甫决定退守孟良崮，其部署为：51、57旅在山下，58旅在山上，形成犄角。这一决策源于其智囊李运良的建议——认为孟良崮有险可守，却忽略了此地无草无水、难以久守，更低估了解放军的炮兵实力。此时正值酷暑，困守山上的官兵无粮无水，饥渴难耐。蒋介石虽派空军空投物资，却因阵地狭小，大部落入解放军手中；同时严令整25、83师驰援，然黄百韬部被阻于界牌以西，李天霞部仅派一个突击连敷衍，援军始终未能靠近。 5月15日拂晓，张灵甫调整部署，令58旅守孟良崮主峰，51、57旅分守南北高地。但此时部队已陷入绝境：美械山炮因无工事掩护难以发挥作用，重机枪需用人尿冷却，士兵疲惫不堪。解放军则昼夜猛攻，包围圈不断缩小。15日午后以万泉山失守，74师全部登山。15日夜，51旅正面战斗尤为激烈，士兵在连坐法威胁下仍士气崩溃，阵地数度易手。 16日拂晓，解放军发起总攻，集中炮火轰击孟良崮，烟尘蔽日。51旅阵地首先被突破，红旗插上高地；57旅阵地随后瓦解。至中午，张灵甫的心腹部队58旅残部仍在主峰附近顽抗，但在解放军“缴枪不杀”的呼喊中，大部放下武器。下午4时许，解放军将红旗插上孟良崮主峰——张灵甫的师指挥所所在地。 
 海拔575米的孟良崮是芦山山区的主峰，位于蒙阴县垛庄镇境内，属蒙山山系。
 孟良崮没有水源，又是石头山，是标准的绝地
 解放军冲上孟良崮
孟良崮战役达成歼灭战的关键，是用华野的一纵和八纵，从整74师的左右两翼大胆穿插进去，把整74师和黄百韬整25师、李天霞整83师分隔开来，阻援打点，在山地攻防中消灭整74师。 
此役，张灵甫、副师长蔡仁杰、五十八旅旅长卢醒被击毙，五十一旅旅长陈传钧、五十七旅旅长陈嘘云负伤被俘，整编第74师及整编第83师1个团三万余官兵悉数被歼。  张灵甫在孟良崮战役中的指挥部旧址，也是他的葬身之地
此役是解放战争中的转折点，粉碎了国民党军对山东的重点进攻。 孟良崮战役后蒋介石主持军事检讨，专门下发了一个手令，要各部队吸取孟良崮的教训，山地防御必须注意守山脚和山谷入口，规定的还特别死，只要超过150米以上的山头，山顶只能用做瞭望和观察，工事必须修在山腰和山脚。 根据参战各纵队对74师的体会，华野所做出的总体评价《孟良崮战役基本总结》： “一、迷信武器，一切依赖炮火，因此一挨炮火，被人压住，则士气大灭。 二、最怕我迂回包围，当发现我插入纵深或侧背即失去决战信心，并收缩部队不敢留恋战斗。 三、步兵最怕近战，尤其用手榴弹、刺刀白刃肉搏。凡两军相迫白刃相对，即失去效用。再则士兵无牺牲决心，故一旦被突破，立即陷入混乱失去战斗力。 四、不善夜战，尤怕夜间白刃战。” | 
葛兆田
