整七十四師被包圍，使坐待捷報的蔣介石、顧祝同、陳誠等坐不住了，接二連三發出電令，一麵好言撫慰張靈甫，一麵調兵遣將增援七十四師。飛到徐州督戰的蔣介石，開始還認為該師戰鬥力強、地形有利，且左右援兵均較近，正是同共軍決戰的好機會。因此，一麵命令七十四師堅守陣地，吸引共軍主力；一麵命令在新泰的整十一師、在蒙陰的六十五師、在桃墟的二十五師、在青駝寺的八十三師、在河陽、湯頭的第七軍和四十八師等部隊，迅速向七十四師靠攏；並調第五軍從萊蕪南下，二十師及六十四師從魯南向垛莊北進，調第九師從津浦路的大汶口向蒙陰東進，妄圖以十個整編師的兵力，夾擊華野主力實現決戰，並解七十四師之圍。蔣軍參謀總長陳誠給張靈甫去電打氣說：“這個戰役的結果，隻有一個，那就是我們的輝煌勝利。消滅陳毅所部，我們就能保住東南半壁江山。”並說蔣介石：“對這個戰役抱有很大的希望，我們已經下達最嚴格的命令，命令外線部隊同你們密切呼應，他們也要密切配合，來一個內外夾擊，中心開花，盡殲頑敵。”湯恩伯也給張靈甫去電打氣說：“本兵團決於垛莊東側攻敵主力，第一、三兩縱隊主力進出孤山、磊石山之間，與黃百韜縱隊，協力解七十四師之圍，貴師處境最苦，而關係最重，貴師為全區之樞紐，隻要貴軍站穩，則可收極大之戰果，亦即貴師極大之功績。”此時此地的張靈甫，仍不知末日已經來臨，在這些鼓勵言辭之下，自鳴得意地說：“以我張靈甫為誘餌，把共軍吸引在我周圍，有利於四麵夾攻，兩下一擠共軍就完蛋了。”蔣介石並派陳誠、白崇禧，匆忙趕到臨沂作新的部署和傳達他的指令。密切注視蔣介石的陳毅，針對陳誠、白祟禧的活動，在作戰會議上說：“白崇禧、陳誠叫張靈甫居高臨下，中心開花，我就叫張靈甫片甲不留，自掘墳墓。”他命令主攻部隊，發揚連續作戰的優良作風，要不惜一切代價把孟良崮拿下來，堅決、徹底、幹淨、全部殲滅七十四師！5月15日下午，華野發起總攻，從四麵八方展開突擊。七十四師竭力頑抗，每一個陣地、每一個山頭都要反複爭奪。陳毅親臨前線指揮作戰，他每走到一處，就用洪亮的聲音對指戰員們說：打贏這一仗，我們就能在山東的石頭上站住腳，就走上坡路，上高山，坐北朝南。蔣介石就走下坡路，下泥坑。打不贏，我們就得屁股朝南，過黃河。戰爭就是這樣，不是我們消滅敵人，就是敵人消滅我們，我們必須克服一切困難，發揚大智大勇，殲滅敵人在孟良崮一戰。
孟良崮，在山東省中部的沂蒙山區，是一個著名的平頂大山頭，群山連綿，溪流縱橫，七十二崮裝點其間，四季風光，絢麗多彩，是曆代兵家必爭之地。陳毅在《如夢令·臨沂蒙陰道中》一詩寫道：
臨沂蒙陰新泰，路轉峰回怪石。一片好風光，七十二崮堪愛。
堪愛，堪愛，蔣賊進攻必敗。
蔣軍七十四師所占陣地，雖地勢險要，但都是岩石山地，無法構築工事，人員、馬匹、輜重等密集在各個山頭和山穀裏，完全暴露在華野火力之下。況且退路和交通運輸均被切斷，水源也被華野控製起來。唯一的補給線是靠飛機從徐州、南京運來的饅頭、米飯、彈藥和水囊，但由於地形複雜，不宜空投，所投物資大多又落在華野的陣地上。外圍的增援部隊在蔣介石的嚴令逼迫下，雖一再想給張靈甫解圍，但在華野強有力阻擊麵前，寸步難進。邱清泉第五軍被阻於萊蕪以南，胡璉十一師被阻於新泰以南；六十五師、二十五師在華野一縱和六縱各一部的堅強阻擊下，不能往前愈越一步；第十、六十四師被魯南地方武裝牽製不能行動；桂係第七軍也前進不到10公裏。張靈甫的七十四師指揮所躲在一個山洞裏，他用報話機對二十五師師師長黃百韜、八十三師師長李天霞頻頻呼救：“你們快向我靠攏！”李天霞與張靈甫近在咫尺，但二人素有間隙，隻派了一個團作了象征性的增援。二十五師的黃百韜雖竭力增援，但在強大阻擊麵前寸步難進。七十四師陷於四麵楚歌，各路援軍望崮興歎。華野在發動總攻後，以優勢炮火向孟良崮山群轟擊，敵我雙方對孟良崮附近各製高點展開反複爭奪，戰況空前激烈。七十四師不愧為“王牌軍”，雖隻剩下幾個孤立的山頭，卻仍負隅頑抗。夜深了，隆隆的炮聲如同陣陣沉雷在轟鳴，機槍子彈在流水似地傾瀉，曳光彈連珠般地在空中飛舞，照明彈接二連三地升向天空，把黑夜照得如同白晝。整個群山在火光與槍炮聲中迎來了16日黎明。戰役進行到最後階段，華野部隊如猛虎插翅，掃蕩山麓，突破山腰，奔向山巔，把七十四師壓縮在孟良崮、蘆山等幾個山頭上。