整编第74师被华东野战军合围后，蒋介石等认为该师战斗力强，又占据着易守难攻的有利制高点，附近还有强大的增援兵力，是同华东野战军决战的好机会，于是一面命令整编第74师师长张灵甫坚决固守阵地，以吸引住华东野战军主力，一面急令新泰之整编第11师、蒙阴之整编第65师、桃虚之整编第25师、青驼寺之整编第83师、河阳之第7军和整编第48师火速向整编第74师靠拢，并急令莱芜之第5军南下，鲁南之整编第64师和整编第20师向垛庄、青驼寺前进，楼德之整编第9师向蒙阴增援，企图以11个整编师（军）内外夹击，歼灭华东野战军主力，解整编第74师之围。
张灵甫虽感到吃饭、饮水困难，缺少弹药，难以坚持，但认为建制完整，并居于战线中央，会得到友邻的增援，因此，一面要求第1兵团空投粮弹，一面调整部署，依托山头固守待援。在蒋介石严令督促下，其各路援兵齐向孟良崮东西地区急进。
华东野战军前委鉴于国民党军已调动了庞大兵力向孟良崮增援，近者不足10公里，远者亦仅1日至2日行程，战场形势十分严峻，即令各阻援部队准备打击强大的国民党援军，同时令各主攻部队对被围之整编第74师加速猛攻，不惜任何代价，一定要在各路国民党援军赶到前，彻底歼灭整编第74师。各部立即传达了这一决心，并采取各种方式广泛展开了战场鼓动工作。
于是，一场围歼整编第74师的阵地攻坚战开始了。华东野战军全体指战员坚决执行命令，发扬了猛打猛冲的战斗作风，忍饥耐渴，奋勇作战。
6、 激战孟良崮，围歼第74师
15日13时，华东野战军各部从四面八方发起总攻后，国民党军第74师凭借强大炮火拼力抵抗，战况空前激烈，每一个阵地，每一寸土地，都要经过多次反复争夺。华东野战军的指战员们不怕牺牲，浴血奋战，越战越勇，相继攻占雕窝、大碾等要点，逼近孟良崮。整编74师在抵抗无效后，倾尽全力企图突围，先向南，被第6纵队打回，后向西，被第1纵队顶住，再向东，又被第9纵队拦截。第74师横冲直撞，处处碰壁，被迫于15日晚麇集于孟良崮、芦山以及600高地等几个山头上。
孟良崮是蒙阴山区著名的72崮之一，四周陡壁，地势险峻。第74师防御均在岩石山地，难以构筑工事，人马辎重堆集山头，暴露于外；时值夏天烈日当头，溪流干涸，水断粮缺，弹药不足，空投的物资又大多落在阵地外面。士兵们饿无食，渴无水，军心动摇，怨声四起，但张灵甫仍组织部队，企图固守待援。
对此，国民党军第1兵团在战后的《检讨》中认为把大军集结于孟良崮一带乃一大失策，“如孟良崮之孤立岩石重山，工事构筑困难，人马炮火又无遮蔽，尤以缺乏水源，使战斗不能持久。故此类阵地以限于小部队占领为警戒阵地或一翼之依托为宜”。（《第一兵团蒙阴东南地区战役战斗详报》）
15日夜，华东野战军首长在获悉第74师的上述企图和各路援军急切迫近的情况后，命令各攻击部队坚决连续冲击，一定要在敌军援兵赶到之前，彻底消灭74师。当时任第1纵队司令员的叶飞在战后的总结中，特别谈到当时面临的严峻情况，他说：“如在16日不能解决问题，我们只好撤退；而如果撤退，由于我们已搞得精疲力竭，沂水等地都要丢掉，可能还要长征；因此指挥部曾严格命令，要求各级要严加督促，于16日消灭第74师，即使牺牲两个纵队，也要迅速解决问题。”
各部按照上述命令，立即集中强大炮火，向第74师的阵地猛烈轰击，山上弹片飞舞，碎石腾空，火光冲天。74师建制被完全打乱，指挥失灵，人马混杂，互相践踏。华东野战军乘机突入第74师阵地，与敌展开白刃格斗，顿时血肉横飞，尸体遍地。16日6时，74师参谋长向汤恩伯报告：“15日夜，终宵战斗，敌我伤亡均极惨重，请空投粮弹，并望援军速进。”（《第一兵团蒙阴东南地区战役战斗详报》）
激战至16日8时，第9纵队等部再次攻占雕窝，又相继攻占520、540高地，13时攻占芦山。关于雕窝的得失情况，第9纵队在战后总结中是这样写的：该纵队于15日11时攻占雕窝后，即派1个副营长率2个班固守，但当敌向此点反击时，他未作顽强抵抗便擅自撤离；后经组织强大炮火协同步兵猛攻，复于16日8时夺取该点。
蒋介石、顾祝同虽命令连日派出大批飞机向74师空投物资，但至16日上午，该师的粮弹供应已陷于绝境。原来第1兵团曾电告该师以“铺设布板表示位置，烧烟火表示风向”，为空投示意办法。但这个联络符号很快被华东野战军从俘虏口中获悉，亦如法炮制，加上敌军阵地极其狭窄，因而其空投物资的十之八九均为华东野战军所得。战士们边吃边放声笑道：“运输大队长蒋介石还真不错，供应挺及时哩！”
74师官兵见此情景，更是满腔怨气，只有大骂空军无能。16日11时，张灵甫一不见援兵，二得不到粮弹，且与第1兵团的直接联系已经中断，又急又气，乃通过第25师的电台转告第1兵团：“粮弹不必再空投了！”（《第一兵团蒙阴东南地区战役战斗详报》）
第1兵团在此役惨败后的《检讨》中仅列举了三条原因，除第一条是地形不利外，其他两条都是关于空投方面的：“预期须赖空运接济之部队务须占领一个平坦而显明之地区，庶投掷容易，且能确实接收，否则既足敌且使敌知我粮弹缺乏，增加其攻击决心与勇气”“陆空联络符号须采用一时难以仿效之方法。敌我接近之际，我军敷设布板为符号，因其方法简单，易被敌军模仿，空军难以判断，似应制作较为繁难之方法”。（《第一兵团蒙阴东南地区战役战斗详报》）
16日中午，天阴云低，满山烟雾，能见度很差。华东野战军各部在攻占芦山后，已连续奋战3个昼夜，部队极度疲劳，且误以为第74师已被全歼。有的去找物资，有的去抓俘虏，有的撤下来休息。当野战军指挥机关发现，上报的歼敌总数与原来掌握的敌军总数相差甚远，遂令各部严加搜索，结果查出尚有残敌7000余人，利用当时气象条件，隐伏于孟良崮与600高地之间的山洼地带。
16日14时，华东野战军组织部队向敌第74师残部发起最后一次冲击。部队以排山倒海之势，从四面向山洼压来。张灵甫仍指挥残部，拼力抵抗。当第6纵队特务团冲向设在山洞中的第74师指挥所时，张灵甫急令其参谋长魏振铖率领1000余人冲到山腰，拼命阻击。特务团冲上去，即被压下来，又冲上去，又被压下来，经过多次冲击拼杀，终于歼灭该敌，生擒魏振铖。
张灵甫又令卫队长率领100余人，从洞内冲出，占据洞穴、岩缝，作困兽之斗。解放军奋不顾身，以抵近射击和白刃格斗，将此敌歼灭，控制了洞口。随即集中火力向洞里猛烈射击，趁着弥漫的烟雾，冲进指挥所内，只见尸体狼藉，血污遍地，张灵甫已被击毙，手里还紧握着报话机。
战至16日16时，国民党军整编第74师以及整编第83师第19旅第57团全部被歼灭。顿时“张灵甫被我们打死了！”“红旗插到孟良崮的最高峰了！”的欢呼声满山遍野，震天动地。
7、 国民党军战报说张灵甫等“慷慨成仁”
蒋介石的“御林军”整编第74师被全歼，师长张灵甫被击毙。
据被俘的该师报务队队长说，张灵甫被击毙前几分钟，还向南京紧急呼救，蒋介石要他再坚持3个钟头，可是不到3分钟他就被打死了。对于张灵甫的死，国民党军战报中竟说是“慷慨成仁”。
国民党军第1兵团根据先后逃回临沂的1个团长及少数官兵的口述，于5月19日写出战报，大体上反映了此役的基本过程和激烈状况。战报内容如下：
14日黄昏，整74师全部到达孟良崮后，以58旅占领孟良崮，51、57旅两旅则占领东北麓及其附近村落。当夜，敌即跟随进犯，四面包围，激战彻夜，短兵相接，敌我伤亡均极惨重。
15日拂晓前，敌军陆续增加，不断扑犯，枪炮如雨，火光冲天，双方发射燃烧弹极多，我军所处村落工事尽皆着火燃烧，战斗惨烈，素所未见，敌我伤亡枕藉乃至射击孔为之堵塞。拂晓，万泉山失守，敌部即猛攻雕窝高地，同时，东北麓方向之敌蚁聚麇集于其炽盛火力之下，逐波冲锋，势如潮涌。我军退守山麓，步步相持。午间，垛庄方向窜到之敌第6纵队，更沿西麓进犯，战况更为紧迫。
15日午后迄夜间，敌军更加迫近。我军抵死搏斗，反复冲杀，彼我战线犬牙相错，战斗尤为激后饮料断绝，渴不可支，体力渐弱，各种炮火以俯角全失，效力降低，且阵地毫无遮掩，全受敌方火制，而山地概系岩石，敌方射击威力倍增，人马损害更大，尤以我军马骡及杂役兵夫受敌炮击惊扰奔窜，引起部队混乱，致使掌握困难，敌军因得自各方渗入。烈。因我军完全保守山地，以16日拂晓后，敌军逐步侵入半山，我占领区域愈小，山岭倾斜愈急，我飞机所投弹粮十九为敌所得。是时，我旅团以下无不受伤或阵亡。然我官兵无不义愤填膺，发指眦裂，与敌作殊死战，虽负伤再三，犹据山射击，死而后已。午间，我仅据孟良崮、芦山及600高地三点，敌军四面突入，陷于混战，迄午后4时则仅存孟良崮山顶，敌我相距数十公尺，我师长等人亲率师部特务营之一部及各旅直官兵数百人奋呼格斗，弹尽，继以枪刃，刃断之，以石。迄午后6时，敌我相距咫尺，我张师长、蔡副师长等人以其最后之一弹，慷慨成仁。是时，狂风骤起，杂以雨雹，惨烈之象诚足以惊天地而泣鬼神，我整74师全体官兵于此完成其壮烈牺牲尽忠报国之神圣职责。
17、18日等日负创离开山地时，自山顶以至山脚，尸骸委积，至于不能通行，山下沟渠亦为尸骸填满，雨后流水尽赤，敌我伤亡当在七八万云。（《第一兵团蒙阴东南地区战役战斗详报》）
8、 敌援军见死不救
在我攻击集团围歼整编第74师的同时，阻援部队对援敌展开了顽强的阻击战。阻援战斗则是艰苦的阵地防御战，我军利用既设野战工事进行了顽强的阻击，像一座座坚固的堤坝，挡住了敌人一波又一波的冲击。使国民党各路援军不能前进，即使前进亦进展缓慢。