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此時，蔣介石看到七十四師快要全軍覆沒，心如刀割，16日上午8時，給增援部隊發出手令，稱“山東共匪主力已向我軍傾巢出犯，此為我軍殲滅共匪，完成革命之唯一良機”，令各部隊“密切聯係，協力邁進，各向當麵之匪猛攻，務期殲滅共匪”，“如有萎靡猶豫，逡巡不前，或赴援不力，中途以致友軍危亡，致使匪軍漏網逃脫者，定必以畏匪避戰，縱匪禍匪，貽誤戰局，嚴究論罪不貸”。湯恩伯又嚴令應援各部隊：“務須以果敢之行動，不顧一切，星夜進擊，破匪軍之包圍，救袍澤於危困。”還說什麼，“親愛精誠之無上武德與光榮，豈有徘徊不前，見危不救者，絕非我同胞所忍為，亦恩伯所不忍言也。”不管蔣介石也好，湯恩伯也好，也不管是厲言、好言，手令或電令，各路援軍不能逾越包圍圈一步。
16日下午2時，七十四師已全線崩潰，師、旅、團、營都已失去通信聯絡，師指揮所山腳已看到華野部隊。此時此地的張靈甫見無力挽回敗局，友軍解圍希望斷絕，便用無線電台向蔣介石報告：友軍見死不救，尤其李天霞沒有遵照命令派出部隊掩護右側安全，指為主要失敗原因；並將指揮所副師長以下，團長以上的軍官姓名報告蔣介石，聲言要“集體自殺，以報校長培育之恩”。隨後，張靈甫親自起草了一份遺書，要他的把兄弟們一一簽名、蓋章或按手印，而後交給手下兩個營長帶出。他摘下自己的手表用石頭砸碎，其他把兄弟也一一效仿，以示“殺身成仁”。參謀長魏振鉞因為是國防部臨時委派的，與張靈甫沒有結拜之誼，不願自殺，遂趁機逃出，後被華野俘獲。副師長蔡仁傑、五十八旅旅長盧醒拿出老婆孩子的照片相向而哭，不肯自殺。這時的張靈甫仍然驕氣十足，對他的幾個把兄弟說：“我們抵抗已到最後關頭，作為軍人，要有軍人之氣節，戰死最光榮，蔣校長授予我們佩劍，謂之軍人之魂，就是要我們不成功便成仁。”說罷命令他的衛土：“來！從我開槍！”之後“噠……噠……”一陣湯姆槍響過，張靈甫、蔡仁傑、盧醒及五十七旅副旅長明燦、五十七旅團長周安儀等高級軍官都斃命師指揮所的山洞之中。這時，華野部隊已衝到了洞口，戰士們一陣衝鋒槍掃射、手榴彈轟擊，順勢衝進洞裏，隻見山洞裏屍首狼藉，張靈甫是死是逃尚不得而知，後經被俘的輜重團上校團長黃政、五十八旅一七二團上校團長雷勵群及張靈甫之侍從秘書張光第逐一辨認，才確認了張靈甫的屍首，將其用擔架抬下山，兩天後埋在山東沂水野豬旺村後的山崗上，在墳前樹一木牌上麵寫“張靈甫之墓”。當時新華社曾廣播：希其親屬到該處收屍。此役，蔣軍整七十四師和八十三師五十七團共被斃傷俘32000多人，其被俘少將參謀長魏振鉞以下官兵19000多人。戰役結束，陳毅寫了《孟良崮戰役》詩一首，抒發喜悅之情。
孟良崮上鬼神號，七十四師無處逃。
信號點點星亂眼，照明處處火如潮。
刀叢撲去爭上頂，血雨飄來濕戰袍。
喜見賊師精銳盡，我軍個個是英豪。
在南京卻是另一種景象。七十四師全軍覆沒噩耗傳來，國民黨中樞震驚，蔣介石更是痛心疾首，氣急敗壞，驚歎：“真是空前大損失，能不令人哀痛！”不幾天邱維達受到蔣介石緊急召見，當邱匆匆趕到黃埔路蔣氏官邸時，正趕上蔣介石打電話罵湯恩伯：“你怎麼指揮的，我這麼好的基本部隊被你搞垮了，我要殺你的頭。”隨即“咣當”一聲，蔣介石用水杯將電話機砸了。邱維達進屋後，蔣介石正在火頭上，即說：“你知道嗎？張靈甫的部隊打垮了，現在我命令你去收容他的部隊，辭修（陳誠）正在機場等你，限你三個月之內把部隊整理好，部隊番號改為七十四軍。你去以後要把這次進攻失利的原因搞清楚，回來向我報告。”邱與陳誠和幾個隨從乘飛機直抵臨沂，下飛機後，湯恩伯前來迎接，先向陳誠敬了個禮，陳誠連理都沒理拂袖而去，接著握著邱維達的手邊哭邊說：“我該死啊！千刀萬剮。”陳誠不耐煩地回過頭來對邱說：“你不要和他講了，快去收容部隊吧。”不久，蔣介石把湯恩伯召回南京免職賦閑。為了表彰張靈甫的“忠貞”，蔣介石在南京玄武湖樹一塊紀念七十四師的石碑，並把美國送來的一艘炮艦改稱“靈甫”號，想以此籠絡軍心，挽救危局。
向敵側後出擊粉碎蔣軍第三次進攻
蔣軍在整七十四被殲後，經過一個多月的整頓，提出“並進不如重迭，分進不如合擊，以三四個師重迭交互前進”的方針，調集了9個整編師25個旅，於6月25日，由萊蕪、新泰、蒙陰、青駝寺、葛溝、湯頭之線，向解放區沂蒙山區發起第三次全線進攻，企圖搗毀華野後方，壓迫華野撤出魯中山區。蔣軍主力集中在萊蕪至蒙陰不足百裏的正麵上，擺成方陣，采取密集平推戰術，穩紮穩打前進；同時以青島之第五十四軍西犯膠縣、高密，以濰縣之第八軍南犯臨胊，以濟南之第九十六軍東犯明水配合行動。此時，晉冀魯豫野戰軍主力已受令即將南渡黃河，轉入戰略進攻，為了使華野與劉鄧野戰軍的作戰行動相配合，粉碎蔣軍對山東解放區的第三次進攻。6月29日，中共中央軍委指示華野：敵正麵絕對集中兵力，但兩翼及後方異常空虛，是我放手殲敵之有利機會，我軍可考慮采用分路出擊其遠後方的戰法，除正麵留一部兵力外，以主要兵力分兩路出魯南及津浦路泰安、兗州段，往來機動，殲敵有生力量，每次作戰以殲敵一個旅為目的。