5月11日，蔣軍第一兵團司令官湯恩伯不待王敬久、歐震兩兵團統一行動，便指揮所屬的8個師向沂水、坦埠方向進擊。而整七十四師更是前進積極，態勢突出，在左翼整二十五師、右翼整八十三師配合下，瘋狂地向坦埠撲來。當晩，整七十四師更是急切，脫離其左右翼，直向坦埠前進，形成孤軍深入的態勢。華野根據情報，查明了湯恩伯兵團的行動計劃，陳毅抓住戰機，立即命令正向東向南行動的主力5個縱隊16個師返回原地，集結待命。這時，中共中央軍委和毛澤東又來電示：“敵有向淄博等地急進模樣，你們應集中主力，待敵進至適當地點，不失時機發起反擊，首先解決一兩個師，依陝北經驗，敵增援能力不大，如有一定間隙，以有力一部築工抗擊，可使敵強大援軍根本不能增援。”陳毅看了指示高興地說：“毛主席真是明察秋毫，用兵如神，運籌於帷幄之中，決勝於千裏之外，這個指示來得非常及時，十分英明！”陳毅等具體分析了蔣軍的動向，認為湯恩伯的第一兵團各部已從南向北進犯；第二、第三兵團開始配合行動；從北方濟南方麵來的第五軍、整十一師，也有從萊蕪、新泰向南出動的模樣。因此判斷：蔣軍企圖以整七十四師為骨幹，在兩翼強大兵團掩護下實施中央突破，矛頭直指華野首腦機關。於是華野立即召集各縱隊指揮員會議，提出新的作戰方案：不打敵軍兩翼，改打中部強敵七十四師，采取正麵突擊，分割兩翼，斷敵退路，四麵包圍和阻擊南北各部援敵的戰法，迎七十四師於坦埠以南、孟良崮以北地區，將其從蔣軍重兵集團中割裂出來，予以殲滅。其戰役部署：用5個縱隊將整七十四師團圍困在以孟良崮為中心的狹長地帶，同時分割兩翼，待機殲之。一縱（司令員兼政委葉飛）分割七十四師與二十五師的聯係，並向七十四師左側後發起攻擊；四縱（司令員楊勇、政委王集成）與九縱（司令員許世友、政委林浩）向七十四師當麵痛擊，阻止前進，並從北、東、西三麵將其圍住；八縱（司令員王建安、政委向明）分割七十四與青駝寺八十三師的聯係，並向七十四師的右側後突擊。六縱在司令員王必成、政委江渭清率領下，疾襲垛莊，切斷張靈甫的退路。以4個縱隊和魯南地方武裝分別阻擊趕來增援的蔣軍。其中十縱（司令員宋時輪、政委景曉村）將邱清泉的第五軍阻擊於萊蕪以南；三縱（司令員何以祥、政委丁秋生）將胡璉的整十一師阻止於蒙陰以北；七縱（司令員成鈞、政委趙啟民）阻擊桂軍第七軍和整四十八師；魯南軍區（司令員張光忠、政委傅秋濤）部隊截斷青駝寺、臨沂公路，並以一部進逼臨沂，牽製襲擾湯恩伯的兵團指揮中心；二縱（司令員兼政委韋國清）保證八縱側翼，同時策應七縱作戰。部署完畢後，陳毅說：“在今年二月間，我們決定以放棄臨沂為餌，誘敵深入，出其不意地突然向北，日夜兼程，奔襲萊蕪，出奇製勝地一舉殲滅了孤立突出的李仙洲集團的7個旅6萬餘人，粉碎了敵人南北夾擊我軍的計劃。我們這隻棋子是走得對的。當時，我們把敵人的第七十四張靈甫留在南麵，沒有去動他，準備把豬養肥了再殺，油水更多一點。向南或是向北，一樣是為了消滅敵人，粉碎敵人的進攻。現在，敵人的王牌七十四師張靈甫這隻肥豬送上門來了，很好！坐地等花開，財喜上門來！”接著，陳毅滿懷豪情地提出了“殲滅七十四師，活捉張靈甫”的口號。