5月15日13時，華東野戰軍發起了對敵整編第七十四師的總攻。五個縱隊的各路攻擊部隊從四麵八方撲向敵人，展開了猛烈攻擊，勢如潮湧。戰鬥慘烈異常。對此，粟裕同誌在回憶錄中曾寫道：“我軍為了爭奪每一個山頭、高地，要從下向上仰攻，每克一點，往往經過數次、十數次的衝鋒，反複爭奪，直到刺刀見紅，其激烈程度，為解放戰爭以來所少見。”圍攻部隊浴血奮戰的同時，華東野戰軍阻援部隊四個縱隊和地方武裝，利用野戰工事，頑強阻擊增援之敵，像一座座銅牆鐵壁擋住了敵人一波又一波的衝擊。盡管蔣介石調集重兵從三個方向增援，盡管敵整編第二十五師、第八十三師近在咫尺，但在我強大的阻援集團的阻擊和鉗製下，敵人付出了慘重代價卻不能越雷池半步，始終未能與整編第七十四師會合。15日晚；我軍把敵人壓縮於東西3公裏、南北2公裏的狹窄山區，16日下午攻占了七十四師占據的所有高地。蔣軍“五大主力”之首的整編第七十四師三個旅及整編第八十三師一個團被我軍全殲。此役，我軍以傷亡12000多人的代價，取得了俘敵19600人、斃傷13000人的輝煌勝利。猖狂一時的蔣軍“王牌軍”，美械裝備的整編第七十四師，僅僅28個小時就被我軍全殲，師長張靈甫及副師長蔡仁傑均被我軍戰士亂槍擊斃。
這次戰役，徹底粉碎了蔣介石的“魯中決戰”計劃，粉碎了國民黨軍隊對山東解放區的重點進攻，極大地震懾了蔣軍內部，有力地鼓舞了全國人民的勝利信心，配合了陝北及其他戰場的勝利攻勢。戰役結束後，湯恩伯被撤職，整編第二十五師師長黃百韜、第八十三師師長李天霞等受到處分。
對於整編第七十四師的覆滅，蔣介石痛心疾首，聲言“孟良崮的失敗，是我軍剿匪以來最可痛心、最可惋惜的一件事。必須等到全軍一番起死回生的改造之後，乃能作進一步的打算”。此等哀鳴，從另一個方麵說明了此役給敵人打擊之慘重。而所謂的“起死回生”，則不過是癡人說夢而已，他們永遠也沒有機會了。
盂良崮戰役結束後，當時的《大眾報》曾這樣比喻蔣介石“重點進攻”的失敗，說是“相傳有一個愈賭愈輸、愈輸愈賭的賭棍，輸得無計可施時，便忽而換個座位，忽而在骰子上吹口氣，忽而又去撒泡尿，結果還是無濟於事。蔣介石的忽而‘全麵進攻’，忽而‘重點進攻’，也不過是賭棍的換座位，吹口氣，撒泡尿行徑。可是敗局已定，無論他玩什麼花樣，都是徒勞無益的了”。
孟良崮戰役之後一周年，毛澤東在西柏坡召回前線的戰區指揮員粟裕，麵授中原大戰機宜。談話間，毛澤東突然微笑著問粟裕：“去年，也是在這個氣候宜人的5月，你們在山東打了一仗……”
“在孟良崮。”粟裕回答。
“戰果如何？”
“全殲七十四師，擊斃敵酋張靈甫。”
毛澤東含笑鼓掌：“你們那樣果敢、迅猛地消滅了七十四師，在中國這塊土地上，有兩個人沒想到，—個是……”
栗裕脫口而出：“蔣介石。他驚呼‘我的精銳之師遭此慘敗，實在沒想到’。”
毛澤東微微一笑，問：“還有一個人呢？”
“陳誠？”粟裕半問半答。
毛澤東搖搖頭，說：“不足掛齒。”
粟裕又說：“何應欽？”
“何足道哉。”毛澤東再次搖頭否定。
粟裕還是沒能脫離蔣軍將領的圈子，猜測著說：“白崇禧？”
毛澤東有點不耐煩地說：“離題千裏了。”
粟裕不再猜測，直接問道：“那麼，是誰呢？”
毛澤東答：“第二個沒想到的就是我毛澤東！”
二、揮師北上占垛莊
5月12日下午4時，一份陳，粟首長簽署的十萬火急電報送到了六縱隊王必成司令員、江渭清政治委員手中。電報中，華野首長命令六縱隊立即起程，星夜飛兵，兼程北上，急行軍120公裏搶占垛莊，切斷敵整編第七十四師的退路，參加圍殲七十四師的戰鬥。
得悉老冤家、死對頭在華野首長的策劃下陷入了我軍包圍。六縱隊廣大指戰員非常興奮。自從部隊南下以來，他們發了幾個月的牢騷；現在終於要揚眉吐氣、開懷暢笑了。頃刻間，他們忘記了牢騷和不滿，高興地說：
“把我們放在魯南，原采是華野首長的一著妙棋。”
“粟副司令員說打七十四師少不了我們六縱，現在果然兌現了。”
原來，六縱隊和蔣介石的整編第七十四師曾兩度交手。第一次交鋒是1946年10月，在漣水城外，六縱隊奉命阻擊七十四師的猖狂進攻。那一仗打得不錯，殲滅七十四師3000多人，自己的損失不大。第二次交鋒還是在漣水附近，為鉗製敵人；策血宿北戰役，六縱隊再一次給七十四師以摹創，勝利完成了阻擊任務。但因為敵我眾寡懸殊，戰鬥打得異常艱苦，消滅七十四師4000多人，六縱隊自己也付出了傷亡4000多人的巨大代價。指戰員們親眼看到，許多與自己朝夕相處的戰友，在蔣軍七十四師的槍炮下倒了下去，一些戰友身上永遠地留下了與七十四師作戰的傷痕。因此，六縱隊的指戰員們對七十四師格外仇恨。