中央軍委同意了華野的部署。
從4月初到5月初，我軍放棄出擊郯城、碼頭、新安鎮；放棄打擊進犯臨蒙公路之敵；撤回對進占新泰之敵的包圍；以及回師魯中等一係列行動，不僅在一定程度上消耗了敵人，而且大大迷惑了敵人，促成了敵人的錯誤判斷。
我軍這一招果然湊效。蔣介石及其參謀總長陳誠誤認為我軍“攻勢疲憊”，已向淄川、博山、南麻、坦埠、沂水、莒縣之線退卻。這樣，就在5月中旬，戰機終於出現了。當我軍稍向東移後，敵人乘機前進，侵占了萊蕪、蒙陰寨、河陽等地。5月10日，湯恩伯兵團的第7軍和整編第48師從河陽出動，先頭占領苗家區、界湖，有續犯沂水模樣。該敵位於敵之右翼，比較暴露。據此，陳、粟首長打算首先殲滅該敵並伺機打援。
11日，敵整編第74師由垛莊經孟良崮西麓向坦埠南的楊家寨、孤山我第9縱隊進攻。這一行動引起粟裕的高度重視，粟裕通知各有關情報單位，日夜密切注意搜集研究敵人的行動部署。當日晚，陳毅、粟裕從密息材料中獲得了敵湯恩伯兵團的具體作戰部署：命令以整編第74師為中心，整編第25師、整編第83師分別為其左右翼。又以整編第65師保障整編第25師翼側；整編第7軍和整編第48師保障整編第83師翼側，限於12日（後又改為14日）攻占坦埠。同時，陳毅、粟裕又查明敵王敬久兵團之第5軍，歐震兵團之整編第11師等部，亦已由萊蕪、新泰出動東犯。同日，中央軍委也向華野通報了上述動態。
戰場形勢發生了急劇變化，作戰部署也必須隨之改變。粟裕經過冷靜的思索，認為敵人決定向我發動全線進攻。其部署顯然是以整編第74師為主要突擊力量，在兩翼和後續強大兵團掩護下，對我軍實施中央突破。敵軍把中央突破的矛頭直指坦埠，因為敵人已經偵知坦埠是我指揮部所在地，並已於數日前以飛機對該地實施過轟炸。敵軍對我取中央突破的戰法，一是企圖一舉擊中我指揮中心，陷我軍於混亂與四麵包圍之中，便於其聚而殲之；二是敵人估計也許我軍不敢迎戰，那就可將我軍逼壓至膠東一隅或趕過黃河。
乍一看，敵人氣勢洶洶，但是粟裕認為這一形勢恰恰為我軍帶來了有利的戰機，因為在此以前，敵軍密集靠攏，行劫謹慎，一打就縮，很難捕捉。現在，敵軍既已開始全線進攻，並對我軍實施中央突破，我軍應立即改變先打敵整編第7軍和整編第48師的計劃，以反突破來對付敵人的突破，即迅速就近調集幾個強有力的縱隊，以“猛虎掏心”的辦法，從敵戰鬥隊形的中央楔入，切斷對我軍威脅最大的中路先鋒敵整編第74師與其友鄰的聯係，並將其幹淨、全部消滅掉。
接著，粟裕進行了具體分析：
第一，殲滅整編第74師，可立即挫敗敵人的這次作戰行動，迅速改變戰場態勢，獲得最有利的戰役效果；整編第74師是蔣介石手中的王牌，它全部美械裝備，經過美國軍官訓練，具有相當的指揮、戰術、技術水平，是蔣介石嫡係中的精銳之師，把它殲滅了，將給敵人實力上、精神上以最沉重的打擊，而對我軍指戰員必是一個極大的鼓舞。第二，先打較為薄弱之敵（或翼側）、孤立之敵，是我軍的傳統戰法，華野作戰曆程中，亦多采用此種戰法。宿北戰役可算是一次對敵軍的中央突破，但當時四路敵人相隔甚遠，這次要在敵人重兵集結又有充分準備的條件下，以中央突破對付敵人的中央突破，的確是無先例的。但是，我軍不應局限於以往的經驗，而應從戰場實際情況出發。我軍經過8個月作戰，特別是轉入內線縱深作戰後，連續打了宿北、魯南、萊蕪等戰役，戰術、技術水平有很大提高；各級指揮員特別是高級指揮員，積累了大兵團運動戰的作戰經驗；我軍的武器裝備有了很大改善，特種兵縱隊已有相當基礎，我軍火力已大大加強，已經具備了圍殲強敵的基本條件。而且，敵挾重兵采取中央突破的戰法，估計我不是主動後撤就是被突破。我軍針鋒相對以中央突破反中央突破打敵最強的第74師，必出其不意，攻其不備，大奏奇效。第三，從兵力對比上來看，敵軍在其進攻山東解放區的總兵力24個整編師（軍）中，集中17個整編師（軍）進攻魯中山區。第一線從萊蕪到河陽，隻有120多公裏，敵軍密密麻麻，一字長蛇陣擺了8個整編師（軍）。位於敵軍左翼的第5軍、整編11師、整編65師和右翼的第7軍、整編48師，多數與整編74師相距僅1—2天行程，整編25師，整編83師則相距更近。我軍隻有9個主力縱隊和1個特種兵縱隊，敵軍兵力占有很大優勢。但是，整編第74師擔負中央突破任務，已進入我主力集結位置的正麵，我軍部署不需作大的調整，即可在局部對該師形成五比一之絕對優勢。隻要縝密部署，在戰役指揮上沒有失誤，實現這個意圖是完全可能的。第四，強和弱是相對的，或強或弱，部隊本身所具有的戰鬥力不是唯一的因素，而是諸多因素共同作用的結果。整編74師是強敵，但也有其弱點。該敵是重裝備部隊，進入山區，地形對其不利，機動受到限製，重裝備不能發揮威力，甚至成為拖累，其強的一麵就相對削弱了。同時該師對其它敵軍十分驕橫，矛盾很深，在我軍圍殲該敵，又堅決阻援的情況下，其它敵軍不會奮力救援。