1947年3月，國軍統帥部依據“重點進攻”的方針，從各戰場和預備隊中抽調了24個整編師（軍）60個整編旅（師）共計45 萬人，歸徐州陸軍總部指揮，直撲我山東解放區。根據徐州陸總的部署，國軍以最精銳主力整編第11師、第74師和第5軍為骨幹，編成3個機動兵團，在陸軍總司令顧祝同坐鎮徐州親自指揮下，首先打通了津浦鐵路徐州至濟南段和兗州至臨沂段公路，之後向魯中山區大舉進犯。
在敵軍發起進攻後的一個多月期間，陳毅、粟裕指揮解放軍華東野戰軍在魯南、魯中地區實施高度機動，尋機殲敵一部。陳粟首長曾先後五次定下求殲進犯之敵的決心，但因國軍接受了此前全面進攻屢次失敗的教訓，採取加強縱深、密集靠攏、穩紮穩打、逐步推進的戰法，集團滾進，不輕易為我調動。因此，華東野戰軍除在4月下旬於泰安殲敵整編第72師外，其他幾次殲敵決心均未實現。
在這種情況下，為打開局面，陳粟首長遵照軍委關於“集中主力，誘敵深入”的指示， 指揮華東野戰軍主力步步後退，於5月上旬退至萊蕪、新泰、蒙陰以東地區待機。顧祝同以為解放軍怯戰，隨即令各路人馬跟蹤進剿，並限期攻佔華東野戰軍司令部的駐地坦埠。
國軍哪裡知道，陳粟首長憑藉我方出色的情報工作，已經基本掌握了敵人的軍事調動部署。5月11日晚，陳粟首長查明瞭敵將於12 日發起全線進攻，並以其第1兵團所屬整編第74師為先頭部隊，企圖攻佔坦埠等地的計劃。
整編第74師是國軍五大主力之一，在抗戰中屢立戰功，連日軍都忌憚三分，其裝備好，兵員精，戰鬥力很強。該師師長張靈甫為黃埔四期畢業，是一名優秀的職業軍人，指揮能力出色。此前我軍曾在漣水、兩淮和臨蒙公路數度與整編第74師交手，但都沒佔到便宜。全軍上下對該師非常痛恨，提起來就喊打喊殺。
針對敵人的進攻態勢，陳粟首長深入分析了敵我利弊，判斷張靈甫指揮整編第74師已呈突出冒進之勢，與左右兩翼之敵拉開了一定距離，適於對其分割圍殲。而敵人內部矛盾重重，傾軋嚴重，張靈甫為人驕狂，與同僚不睦，當遇到危難時別人必不相救。據此，陳粟首長確定了作戰決心，以“百萬軍中取上將首級”的氣勢，集中華東野戰軍最有戰鬥力的5個縱隊，從整編第74師兩翼楔入，將其從敵重兵集團中分割出來，再一舉圍殲之。同時另以4個縱隊和地方武裝在外圍作戰，分別阻擊其餘各路敵軍，配合主力殲敵。
5月13日晚，華東野戰軍以2個縱隊在正面擊退敵整編第74師的進攻，另3個縱隊分別從兩翼及後方襲向該敵。張靈甫發現情況不妙，不顧上級命令，率領整編第74師沿原路急退。這是一場與時間賽跑的戰役，華東野戰軍各縱隊百里奔襲，指戰員不吃飯不休息，邊穿插邊戰鬥，步步逼向整編第74師。這時敵人內部矛盾發作，整編第74師兩翼之敵不協同作戰，而是虛張聲勢，主力或後退避戰，或按兵不動，生生出賣了張靈甫。就在這樣此消彼長之下，華東野戰軍分割迂迴搶先到位，於15 日拂曉將整編第74全部包圍在以孟良崮為中心的狹小地區內。
此時周邊幾十萬敵軍在蔣介石的嚴令下紛紛向孟良崮集中，企圖為張靈甫解圍，已與我外圍阻擊部隊全面開打。如果不能儘快殲滅被圍的整編第74師，華東野戰軍主力就有被敵人包圍的危險。陳粟首長一聲令下，於15日上午向孟良崮發動總攻，並喊出口號“攻上孟良崮，活捉張靈甫”！
這一仗打得驚心動魄。我軍發揚猛打猛衝的作風，奮勇攻擊，敵則據險固守，拼死頑抗，雙方進行了反覆爭奪。我軍每攻克一點，往往要經過數次至數十次的衝擊，有時要與敵人展開殘酷的肉搏戰。孟良崮上下炮火連天，屍橫遍野，血流成溪。15日打了一天，我軍雖然大大壓縮了敵人陣地，但沒能全部消滅敵人。
陳粟首長密切關注戰局，不斷髮布命令，集中炮兵火力射擊守敵，支援各縱隊戰鬥。16日，我軍繼續發起猛攻，到處殺聲震天。整編第74師戰鬥力雖強，但被圍在缺乏水源的石頭山上，水冷式重機槍打不響，官兵人人焦渴，炮彈落下崩起山石傷人無數。在我軍猛烈炮火打擊下，敵軍傷亡慘重，人馬亂跑，已成崩潰之勢。
戰至5月16日下午，戰鬥基本結束，我軍佔領各山頭要點，敵師長張靈甫及數名軍官斃命於主峰山洞中。在清點戰果時，發現孟良崮地區仍有敵電臺活動，粟裕同時發現各部所報殲敵數與整編第74師編制數相差甚大，遂嚴令各部隊繼續進行嚴密搜索。各部隊不顧疲勞，復又投入戰鬥，終於將隱藏在孟良崮山谷中的7000 餘名殘敵全部抓獲。與此同時，外圍阻援部隊成功擋住了敵10個整編師向孟良崮的增援，保障了圍殲整編第74師的勝利。
在孟良崮戰役中，華東野戰軍共計殲敵32000餘人，繳獲武器彈藥和軍用物資一大批，打掉了氣焰囂張的敵王牌主力整編第74師，迫使敵人暫時停止了對山東解放區的進攻。蔣介石哀嘆整編第 74師的被殲是他“最可痛心、最可惋惜的一件事”，下令追究救援不力的責任，並將第1兵團司令官湯恩伯等撤職。
孟良崮上鬼神嚎，七十四師無地逃。喜看賊師精銳盡，我軍個個是英豪！
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