1947年,国民党军统帅部在其全面进攻被打破后,被迫改为集中兵力对陕北和山东解放区进行重点进攻,企图以钳形攻势聚歼中共中央和人民解放军主力于华北冀晋地区。3月下旬,国民党军对山东解放区的重点进攻正式开始。4月初,华东野战军自焦济路南下,隐蔽配置于与国民党军方阵相对应的50 公里地带,相距仅10公里左右。6日,国民党军派飞机对驻坦埠附近的华东野战军指挥部进行轰炸 ,19日发起了全面进攻。华东野战军展开了阻击战。华东野战军司令员兼政治委员陈毅,副司令员粟裕为创造战机,以主力一部于23日起,首克泰安,继西捣宁阳,均因敌未被调动,而未能实现打援目的。乃回师东进拟歼整74师、整11师,又均因第5军等部迅速靠近而未成。

华东野战军在山东的兵力有9个步兵纵队和一个特种兵纵队,约27万余人,与国民党军兵力相比居于劣势。在华野处于内线防御,敌军处于外线,并采用大军密集、多路稳进,形成重点进攻的严重形势面前,陈、粟等华野首长决定仍采用集中优势兵力,各个歼灭敌人的作战方针。但鉴于山东战场的新形势,估计有利战机比过去要少得多。因此,必须以机动灵活的运动战去调动、分散敌军,以创造各个歼敌的战机。

从3月下旬至5月上旬一个多月的时间里,华东野战军主动出击,与敌进行了几次接触和作战,但除了4月下旬在泰安歼灭了敌第72师主力外,其余大量歼敌的计划均未实现。 5月初,正当陈、粟拟以3个纵队南下鲁南、苏北,进一步调动敌军之际,中央军委和毛泽东于4日、6日接连给陈、粟发来两电,对华野的作战提出了重要指导意见。 据此,华东野战军司令员兼政治委员陈毅、副司令员粟裕于5月上旬调整部署,将主力东移,后撤一步;并以准备南下华中的第2、第7纵队隐蔽集结于莒县地区,以进入鲁南的第6纵队隐蔽在平邑附近地区,待机配合主力作战。

华野主力东移后,陈、粟曾考虑两个歼敌方案:(一)如敌放胆前进,即适时集中主力,择其一路歼灭之;(二)如敌仍密集靠拢,龟缩不前,我军则再后退一步,以攻取潍县为饵,诱歼援敌。5月10日,陈、粟得悉汤恩伯第一兵团的第7军及48师先头部队进占了苗家区、界湖,并有续犯沂水的消息。鉴于该敌位于第一兵团之最右翼,比较暴露,便于华野分割围歼,因此,陈、粟决定以3个纵队的兵力视机打援。作战命令下达后,粟裕反复考虑该敌不是理想的打击目标。因此,一面进行作战的准备,一面密切观察战场的形势,寻找更合适的战机。

华野主力东移后, 使蒋介石、陈诚产生了错误判断,误认为华野"攻势疲惫",可能继续向东北方向的淄川、博山方向撤退。遂于5月10日命令各部兼程前进,跟踪追剿,以实现在鲁中山区与华野主力决战之目的。顾祝同转令3个兵团放胆向博山、沂水一线疾进。右翼第1兵团改变原定的稳扎稳打战法,不待第2、第3兵团统行动,即以整编第74师为骨干,在整编第25、第83师的配合下,于5月11日自垛庄、桃墟地区进攻坦埠,企图乘隙占领沂水至蒙阴公路;另以第7军及整编第48、第65师在左右两侧担任掩护。 5月11日,当日晚,华东野战军侦察部门获息汤恩伯发给其部下的部署电,立即呈送粟裕。 陈粟二人连夜召开了就近第1、第4、第8、第9纵队及特种兵纵队领导人作战会议,12 日晨下达了以第1、第4、第6、第8、第9纵队担任割裂围歼整74师的任务,以第2、第3、第7、第10纵队担任阻援任务的命令,并决定战役于13黄昏发起。

5月11~13日,整编第74师在整编第83,第25师掩护下自垛庄北进至黄鹿寨、旧寨、野猪旺等地,被第9纵队击退,随后占领杨家寨、佛山角、马牧池等地,准备14日攻占坦埠。

5月13日上午,敌3个师又发起攻击,至下午4时惧歼后退至黄斗顶山、重山、马牧池。当晚,华东野战军第1、第8纵队以一部兵力在整编第74师正面实旋阻击,主力从其两翼寻隙向纵深楔进。第1纵队第3师攻占曹庄及其以北高地,逼近蒙阴,构成对外正面阻击整编第65师;纵队主力攻占黄斗顶山、尧山、天马山、界牌等要点,割断了整编第74师与整编第25师的联系,并歼整编第25师一部,该师大部缩回桃墟。第8纵队主力攻占桃花山、磊石山、鼻子山等要点,割断了整编第74师与整编第83师的联系;一部占领盂良崮东南的横山老猫窝。同时,第4、第9纵队从正面发起攻击,占领黄鹿寨、佛山及马牧池、隋家店一线,扼制了整编第74师的进攻。第6纵队由铜石地区急速北上,于14日晨抵达垛庄西南观上、白埠地区。13日晚,整编第74师前沿据点遭到攻击时,张灵甫仍准备于14日执行攻占坦埠的计划。

5月14日10时,张灵甫得知天马山,马牧池、磊石山等地失守后,预感到有被围歼的危险,即仓促向盂良崮,垛庄方向撤退,并组织一部兵力进行反击。华东野战军发现整编第74师南撤,立即乘胜猛攻。担任正面攻击的第4、第9纵队经彻夜攻击,进占唐家峪子、赵家城子一线;第6纵队在第1纵队一部协同下,于15日拂晓攻占垛庄,截断了整编第74师的退路;第8纵队攻占万泉山,同第1、第6纵队打通了联系,在芦山、孟良崮地区形成了对整编第74帅的四面包围。整编第74师被包围,蒋介石、顾祝同虽感吃惊,但认为该师战斗力强,所处地形有利,已控制制高点,必能坚守,如果左右邻加速增援,可造成与华东野战军主力决战的机会。因此,除令整编第74师固守待援,牵制华东野战军主力外,严令新泰的整编第11师、蒙阴的整编第65师、桃墟的整编第25师、青鸵寺的整编第83师以及河阳、汤头的第7军、整编第48师等部迅速向整编第74师靠拢;并调第5军自莱芜南下,整编第20师自大汶口向蒙阴前进,企图用10个整编师的兵力在蒙阴、青驼寺地区歼灭华东野战军主力。张灵甫也认为建制尚完整,部队战斗力强,居于战线中央,会得到左右邻的积极增援,因此,一面请求空投粮弹,一面调整部署,同守待援。

华东野战军指挥部鉴于蒋介石调动10个整编师的兵力来援,且多数已距盂良崮仅一至两天路程,有的只有十几公里,情况十分紧急,如不能在短时间内歼灭整编第74师,将陷入10个整编师的围攻之中。为此,于15日令阻援部队坚决阻击各路援赦,令主攻部队不惜代价加速猛攻,一定要在援赦赶到之前迅速歼灭整编第74师。

5月15日晨,整74师被围困于孟良崮为核心的几个山头上,主要是520、东西540、600、610高地,及芦山、雕窝等地。13时,华东野战军发起总攻,各部队从四面八方多路突击,整编第74师竭力顽抗。激战至16日上午,华东野战军攻占雕窝、芦山,整编第74师主阵地全部丢失。下午天阴云低,能见度很差,华东野战军以为整编第74师已被全歼,但在核算俘虏人数时,发现歼敌数与该师编制数相差万余人。部队随即严密搜索,终将整编第74师及整编第83师1个团余部全歼,击毙张灵甫 。

16日16时半战斗结束时,华东野战军发现敌电台在活动,粟裕命令第4、第8、第9纵队对孟良崮、雕窝间的山谷进行搜索。至18时,共搜出匿敌7000余人。

在华东野战军主力围歼整编第74师过程中,担任阻援任务的第2、第3、第7、第10纵队及鲁南、滨海等军区部队,积极牵制和阻击各路援敌。国民党军各路援军,在蒋介石、顾祝同的再三严令下虽拼力前进,有的进至距盂良崮5公里处,炮弹已能打到孟良崮,但由于遇到顽强阻击,不仅未能挽救整编第74师,而且遭到重大伤亡。