同日華東野戰軍偵察得知，顧祝同指揮湯恩伯、歐震、王敬久三個兵團向沂蒙山區發起進攻，湯兵團的第七軍和第四十八師進至沂水附近地區。陳毅、粟裕決定首先攻擊湯兵團比較暴露的右翼，殲滅敵第七軍與第四十八師。於當天23時發出作戰命令。
5月11日華東野戰軍情報部門截獲湯恩伯電令：限第七十四師於5月12日攻占坦埠。粟裕判斷，敵人企圖在兩翼和後續強大兵團掩護下實行中央突破，首先摧毀我軍指揮中心，然後聚殲我軍主力。這一變化對我們是難得的有利戰機。建議改變原定打第七軍和第四十八師的計劃，以中央突破對中央突破，將第七十四師於敵人重兵集團中割裂出來予以殲滅。陳毅讚同粟裕的意見，說：“好！
我們就是要有於百萬軍中取上將首級的英雄氣概！”當即調整作戰部署，命令向沂水方向開進的部隊重返原地集結，準備在蒙陰以東、坦埠以南地區殲滅敵第七十四師等部。
同日中共中央軍委致陳毅、粟裕、劉伯承、鄧小平、彭德懷、習仲勳並告朱德、劉少奇電，分析蔣介石的“黃河戰略”，指出：“從實施黃河堵口複故計劃之時起，蔣介石一貫方針，第一步驅我至黃河以北，第二步於黃河以北殲滅我軍”。“很長時間開放泰安缺口，讓陳粟由此北渡，陳粟不聽，且殲李仙洲，蔣乃開放膠濟，封鎖泰安，壓陳粟北撤西轉。今後方針必以第一線各部（五軍、十一師、七十四師、八十三師、二十五師、六十五師、七師、四十八師等）向膠濟線前進。如陳粟放手讓路，敵必誤認為不敢戀戰，可達驅逐目的”。“待陳粟擊破顧祝同第一線，劉鄧渡河向南，彭習向隴東、關中進軍，蔣將發現他的迷夢歸於破產”。
同日亥時，中共中央軍委致陳毅、粟裕電，指示：“（一）中央社息，五軍占萊蕪，有向淄博急進模樣。（二）你們應集中主力，待敵進至適當地點，不失時機發起殲擊，首先解決一兩個軍。”
5月12日中共中央軍委致陳毅、粟裕電：“野參真辰電（即華東野戰軍司令部參謀處十一日辰時電）悉。敵五軍、十一師、七十四師均已前進。你們須聚精會神選擇比較好打之一路，不失時機地發起殲擊。究打何路最好，由你們當機決策，立付執行，我們不遙製。”
同日辰時，與陳毅、譚震林、陳士榘、劉先勝聯名發出華東野戰軍作戰命令：根據湯恩伯集團動向判斷，“湯頑企圖控製臨蒙路及坦埠地區，然後配合二、三兵團逼我主力向東，找我決戰”。“為打破湯頑企圖，決以主力迎殲來犯之七十四師、二十五師於蒙陰以東坦埠以南地區”。“戰鬥發起時間，預定十三日黃昏，先以一、八兩縱抄襲敵後，俟兩縱達成迂回任務後，四、九兩縱再行出擊”。
同時指令隱蔽於魯南的第六縱隊取捷徑趕到垛莊地區，配合正麵我軍圍殲第七十四師、第二十五師。
同日未時，根據敵情變化，調整作戰部署，集中兵力圍殲進攻坦埠之敵第七十四師，於13日晚開始出擊。
5月13日酉時，與陳毅發出致中共中央軍委並劉伯承、鄧小平電，報告敵情和殲滅第七十四師的作戰部署：“（甲）七十四師真日開始向坦埠進攻，八十三師在青駝以北跟進。二十五師在蒙陰東南，為其左翼部隊。桂頑則在臨沂東北湯頭、葛溝。（乙）我們今晚集結一、四與八、九縱向七十四師出擊，於明晨完成包圍。戰鬥約需兩三天。待殲滅七十四師後，再視機擴張戰果。”中共中央軍委於5月14日亥時複電指示：“以一、四、八、九縱殲擊七十四師極為正確。
該敵殲滅後，你們應集中尚未使用之各縱（二、三、六、七、十，除小部用於鉗製外），乘勝殲擊八十三師及二十五師，收複蒙陰、青駝之線，實現中央突破。”
5月15日子時又電指示：“此次作戰成果大小，決定於你們是否集中七至八個縱隊於一個戰場內作戰”。“因此，對鉗製方麵，必須隻使用極少之兵力（例如東西兩麵各使用一個旅左右，配以地方部隊即夠）”。
同日發出華東野戰軍孟良崮戰役政治鼓動口號，提出：“殲滅蔣頑七十四師！活捉張靈甫！”
同日黃昏，指揮各部發起孟良崮戰役。5月15日，完成對第七十四師的包圍，發起總攻，消滅盤踞於孟良崮的第七十四師部隊，擊斃中將師長張靈甫。
同時阻擊兩翼增援之敵。5月16日晨，在戰役接近尾聲時，指令各部核實殲敵數字，發現與第七十四師編製相差七八千人，同時偵察發現山區仍有敵軍電台訊號，隨即指令搜山，殲滅隱蔽在山穀的殘敵7000人。此役共殲滅敵整編第七十四師全部、整編第八十三師一個團32萬餘人。
5月15日午時，與陳毅發出致華野各縱隊電，提出第二步預定作戰部署：