陈毅、粟裕作了战役部署，准备以5个纵队担任围攻任务，以4个纵队担任阻援任务。
第二部分：全军奋起反击 迎敌全面进攻大军压境（3）
具体部署为：以第一、第八纵队分别自整编第74师与其左右友邻的结合部楔入，攻占黄斗顶山、天马山、界牌和依汶庄、磊石山、万泉山，割裂整编第74师与其左右邻的联系，并会同由鲁南兼程北上的第六纵队抢占垛庄、芦山，断整编第74师退路，合围整编第74师；以第四、第九纵队从正面出击，5个纵队协同围歼整编第74师。
具体任务区分是：第一纵队（附独立师）以1个师攻占曹庄南北有利阵地，阻击国民党军整编第65师，主力从整编第74师及整编第25师的结合部楔入，割裂该两师联系，阻击整编第25师，并协同友邻第六纵队攻占垛庄，断整编第74师的退路，从其左侧后实施攻击；第八纵队主力迅速攻占磊石山、万泉山，与第一纵队沟通联系，协同友邻从右侧后攻击整编第74师；第四纵队以一部控制北楼以北山地，主力从北向南出击，攻占孟良崮，配合第九纵队和第二纵队攻占芦山和垛庄，攻击整编第74师；第九纵队以1个师控制坦埠及其西南地区，坚决抗击整编第74师之进攻，主力控制坦埠东南地区，协同第八纵队由东北向西南出击，攻占雕窝，配合第四纵队攻占芦山，歼灭整编第74师；隐伏在鲁南国民党军后方的第六纵队，取捷径北上，赶到青驼寺至垛庄之线，断整编第74师退路，配合正面部队攻歼整编第74师；以第七、第三、第十纵队分别阻击河阳、新泰、莱芜之国民党军第7军和整编第48师、整编第11师、第5军，以第二纵队保障第八纵队左翼安全，并策应第七纵队作战；特种兵纵队集结在坦埠以东方位待命；鲁南军区地方武装截断临沂至青驼寺公路，并以一部进扰临沂近郊，牵制临沂的国民党军。
在作战会议上，陈毅强调说：“集中优势兵力，先打分散孤立之敌，是毛主席一贯的军事思想。在敌人强大兵团展开进攻时，通常是打击敌人侧翼有利，但是当敌人连续遭到这种打击而防范严密、特别谨慎，同时中央之敌却比较疏忽大意、转进冒尖、而我军又在其附近隐蔽集结了相当兵力的情况下，采取一面抗住援敌，一面集中优势兵力猛攻中央之敌的战术，同样可以达到战役目的。这次围歼74师，就是这种打法，叫做百万军中取上将首级。”
5月12日，毛泽东为中央军委起草致陈毅、粟裕的电报，指示：“敌5军、11师、74师均已前进。你们须聚精会神选择比较好打之一路，不失时机发起歼击。究打何路最好，由你们当机决策，立付施行，我们不遥制。”
当天早晨，进犯坦埠的国民党军第1兵团向华东野战军部队猛烈攻击，张灵甫自恃整编第74师是王牌军，装备精良，为抢头功，率部当日占黄鹿寨、三角山、杨家寨等要地。整编第25师进至旧寨附近，整编第83师攻占野猪旺。
13日，国民党军分三路继续向坦埠以南华东野战军部队阵地猛攻，遭到华东野战军第四、第九纵队顽强抗击，黄昏时缩至黄斗顶山、杨家寨、马牧池之线。
孟良崮战役，按照预定计划，于5月13日黄昏发起。粟裕到前线指挥作战，把他的指挥所设在坦埠以西艾山脚下的石洞里。当地群众称这个石洞为“老君洞”，战后改名为“将军洞”。从这里向南，直到孟良崮，是一片开阔的山间平地，也是华野正面阻击蒋军的战场。站在艾山南麓，可以用望远镜直接观察战场情况。
华野各个纵队都出色地完成了自己的任务。从13日黄昏到14日上午，就大体形成对整编第74师的包围态势。
一纵于13日黄昏，利用敌军各求自保的心理，以小部队对敌25师发起攻击，使该敌误以为自己受攻击而无暇他顾。二纵独立师，则乘势利用山区地形实行迂回，从敌25师与74师结合部向纵深猛插，占据制高点。次日上午，该纵2师逼近蒙阴城，加紧构筑阵地，阻敌援军；1、2师攻占蛤蟆崮、天马山、界牌等要点，迫敌25师、74师分别向东、向西收缩。
八纵于13日黄昏发起攻击后，将侵占依汶庄及其以南地区敌83师一部驱退，歼其一个搜索营。14日上午，该纵22师沿万泉山东侧直插青驼寺、双侯镇，进占桃花山、磊石山、鼻子山等要地，分割敌74师与83师的联系。
敌74师师长张灵甫，对华野部队发起的攻势满不在乎，告诉部属不要大惊小怪，甚至说：“共军想一口吃掉74师，他们不但不敢做，恐怕连想也未必敢想！”命令部队照旧执行14日进攻坦埠计划。
第二部分：全军奋起反击 迎敌全面进攻大军压境（4）
14日22时，张灵甫得悉华野部队已攻占天马山、磊石山等要地，并正向垛庄、万泉山前进，才觉得事情不妙，判明华野部队真实意图，随即命令所属部队放弃北进，迅速向孟良崮（今山东蒙阴东南）、垛庄方向撤退，并拼命向华野一纵阵地反扑，企图打开返回垛庄的通道，沟通与25师的联系。
一路上，不断受到华东野战军的追击和袭扰，伤亡很大，当撤至孟良崮地区时，张灵甫看到此地地形复杂，易守难攻，便想让部队固守此地，以逸待劳。师参谋长魏振铖见此地恶劣地形，顿生疑心，提醒道：
“此地乃孤山，为兵之大忌，不易困守。”
师副参谋长李运良则建议道：“军座，此虽孤山，但地形险要，我们要置于死地而后生。”
一向刚愎自用的张灵甫固执己见，立即命令部队在四周层峦叠障的孟良崮安营固守。
孟良崮位于蒙阴东南的芦山山区顶峰，海拔500余米。沂蒙山区的山峰生得古怪，四周陡峭，形同圆柱，顶端平坦，可以种田，当地人称之为崮。崮崮相连，据说有72崮。张灵甫的整编第74师据守在芦山、孟良崮、大固顶几个山头和几条山谷里。
在这种形势下，华野部队夺取垛庄，断敌退路，封闭合围口就变得非常紧迫且更加重要了。
正在这个节骨眼儿，善于远程奔袭的华野六纵像一支神兵，突然从敌74师的背后杀出来。
六纵司令员王必成于5月12日16时收到陈、粟签署的电报，命令六纵昼夜兼程，北上参战，以48小时120公里的急行军，抢占沂蒙公路上的重镇垛庄，切断74师的唯一退路，参加围歼74师的战斗。
王必成接到命令，立即率领六纵指战员2万多人以每昼夜130公里的急行军，飞兵疾进，先头部队提前8小时到达垛庄以南，15日凌晨就在第一纵队协助下攻下垛庄，全歼守敌一个战斗辎重连。汤恩伯指令张灵甫派重兵死守垛庄，保护通路。可是，等到张灵甫派出的部队赶到，垛庄已经被华野部队提前攻占。张灵甫不得不收兵退缩孟良崮、芦山地区，企图负隅顽抗，等待援军到来。
在六纵攻占垛庄的同时，一纵夺回330、285高地；八纵攻占了孟良崮东南门户万泉山，歼敌一个团，与六纵打通联系，封闭内层合围口，构成阻击敌25、83师的强有力的对外正面防线。四、九纵已推进到唐家峪子、当阳地域。
此时，整编第74师已被华东野战军5个纵队团团包围于孟良崮及其以北的狭小地域内。
整编第74师被围困后，完全置于华东野战军的火力控制之下，退路和后勤补给被切断。
第二部分：全军奋起反击 迎敌全面进攻孟良崮上鬼神号（1）
这时，正值初夏，天气较为炎热，国民党军官兵们饥渴难忍，士气低落。张灵甫急电蒋介石求援。
蒋介石等认为整编第74师战斗力强，又占据着易守难攻的有利制高点，附近还有很强的增援兵力，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。
接着，南京方面向孟良崮空投物资，但飞机从徐州、南京运来的馒头、米饭、弹药和水，大多数都落到了华东野战军的阵地。外围的增援部队在蒋介石的逼迫下，一再想给整编第74师解围，但受到了华东野战军强有力的阻击，寸步难行。
面对这种情况，张灵甫用电话机频频呼救，对李天霞大喊：“你们快快向我靠拢！”
一向清高孤傲的张灵甫一扫昔日的威风，频频向友邻乞援，但李天霞虽与张部近在咫尺，因素来有隙，只派一个突击连作了一下象征性的救援。
华东野战军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1～2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，不惜一切代价，一定要在各路国民党援军赶到前，彻底歼灭整编第74师。
在决战动员会上，面对疯狂的敌人，陈毅司令员气愤地说：“蒋介石以为有美帝国主义撑腰，有飞机、大炮，就打不败了，就能一辈子骑在人民头上，那是做梦！蒋介石不是以为我们对付74师没有办法吗？我们一定要消灭74师！我们一定要把他的几百万军队统统消灭掉，解放全中国！只要蒋介石愿意打下去，我们一定奉陪到底。”
陈毅通宵达旦地坐镇指挥部。他拿起电话要一纵：“叶飞吗？党中央、毛主席又来了指示，说不要贪多，首先歼灭74师。现在敌人的10个整编师围在我们四周。当前你们的主要任务是协同兄弟纵队把74师这个轴心敲掉。这样，敌人就没有指望了。我们也就免得两面作战了。如果拖延下去，情况的逆转是可以预料的。”
接着，他又给九纵打电话：“许司令吗？现在各路援敌节节逼近，打援阻援的部队打得很艰苦，很顽强。聚歼74师，成败在此一举，我们能争得的时间已经不多了，你们要尽快把孟良崮拿下来！”
各位纵队司令都有斩钉截铁的回答，然后立即把这种意志用电话向师长们下达。
5月15日，华野发起对整编第74师的总攻。华东野战军从四面八方多路向整编第74师突击，整编74师则竭力顽抗。双方对大碾、雕窝、孟良崮东北高地等重要阵地进行了反复争夺。
敌人的火力有组织地反击，急雨般的榴弹飞落在我突击队中，重迫击炮、山炮打向半山腰，机枪子弹打在山石上，火花迸射。
天不亮，两架敌机在山顶盘旋着，敌人企图出击反扑，将解放军打下山去。
冲锋仍在继续进行，七次冲锋，都给压了下来。但最终，部队还是冲上各高地，将守敌彻底歼灭。
战至16日，华东野战军攻占大碾、碉窝、520高地和540高地，将整编第74师压缩至孟良崮、芦山、600高地一线狭小地区内。
整编第74师阵地均为岩石山地，无法构筑工事，人员、