由于敌人拟对我实施中央突破，敌第七十四师的态势势必稍形突出，但在战役发起前敌两翼部队距第七十四师仅四至六公里。上述说法，可能是由于不了解我们创造和捕捉战机过程的缘故，从我军通常采用的传统战法出发来臆想战场情况，这未免是“削足适履”，而且也把敌人想得过于愚蠢
要把敌第七十四师从重兵集团中挖出来予以歼灭是艰巨的。实现战役决心的**个关键是隐蔽我军意图，达成对敌第七十四师的合围。我担任主攻的五个纵队，出色地完成了各自的任务。
五月十二日晨，敌第七十四师由重山、艾山间渡过汶河，占领了黄鹿寨、佛山、三角山、马牧池等地，与我九纵一部激战于马山、迈逼山、大箭一线。十三日下午四时，该敌攻占了马山等地，距其主要攻击目标坦埠尚有七至十公里，踌躇满志，准备于十四日攻占该地。敌第二十五、第八十三师则分别进到旧寨、依汶庄地区。
面对敌军进攻，我第九、第四两纵队全力由正面抗击敌第七十四师。我**纵队则利用敌军各求自保的心理，于十三日晚，以小部对敌第二十五师发起进攻，使该敌误以为自己受攻击而无暇他颐。我主力则利用山区地形实行迂回，从该师与第七十四师的结合部向纵深**，并抢占制高点。第八纵队以相同的战术从第七十四师与第八十三师之结合部插入，并夺取制高点。我第六纵队则从鲁南之白彦地区兼程向垛庄急进，以断敌退路。到十四日上午，我**纵队一部逼近蒙阴城，构筑了阻击敌整编第六十五师之强固阵地，主力攻占了蛤蟆崮、天马山、界牌等要点；第八纵队攻占了桃花山，磊石山、鼻子山等要点；第六纵队于十四日晨到达距垛庄西南二十余公里之观上、白埠地区。而正面第四、第九纵队，经过激战，已推进到黄鹿寨、佛山，并攻占了马牧池、隋家店。我军对敌第七十四师的包围态势已大体形成。十五日拂晓，我第六纵队在**纵队协同下攻占了垛庄，第八纵队则攻占了万泉山，三个纵队打通了联系，最后封闭了合围口；并构成了阻击第二十五、第八十三师的强有力的对外正面的坚强防线。
在这一个回合中，动用隐伏于鲁南的六纵队，是关健的一着。第六纵队同敌第七十四师是死对头；记得当时我们命令该纵留在鲁南隐伏待机时，纵队司令王必成同志很担心打第七十四师时没有他们的任务。我对他说，你放心，打敌七十四师一定少不了你们。当时第六纵队距垛庄约一百公里之遥，一路山区，他们十二日接获命令后，立即收拢部队，急速开进，十四日即抵达垛庄附近。王必成同志后来曾以“飞兵激渡”来形容他们的这次行动，是不夸张的。这说明在战役指挥中设想可能出现的情况，走**步就预想到第二步，有时要巧妙地预留伏笔，是灵活用兵的重要一着，此次我军诱敞深入，而又预恢第六纵队于鲁南待机，达着棋，一旦动起来、全盘就活了。
到十四日上午，敌第七十四师发现我军已迂回到他们的翼侧，有被包围的危险。便仓猝收缩南撤，企图通向垛庄。但撤退中发觉垛庄已为我所占，只得退缩到孟良崮、芦山地区，并不得不把美式重炮和许多现代装备丢在山下，因而丧失了它现代化的“优势”。
在我军以往的战役中，一般只要对敌人达成了战役合围，胜利就算基本有把握了。但是，这次战场态势特殊。我军五个纵队包围着敌第七十四师，敌军却有十个整编师（军）包围着我军。第七十四师为敌“五大主力”之首，其战斗力不可低估，且该部所退守的孟良崮及其周围山地，山峰陡峭，主峰海拔在五百米以上，岩石累累，土质坚硬，易守难攻。因此，攻占垛庄后，陈总和我虽都松了一口气，但鹿死谁手，尚待决战。我立即带领少数参谋、机要人员，将指挥所向前推移，进入山沟，以便密切观察和指挥战事。
果然，当敌第七十四师被我包围后，蒋介石认为该师战斗力强，处于易守难攻的高地，临近有强大的增援兵力，正是与我华野决战的好时机，便一面命令第七十四师师长张灵甫坚决固守，以吸住我军，一面急今新泰之第十一师，蒙阴之第六十五师、桃墟之第二十五师、青驼寺之第八十三师、河阳之第七军和第四十八师火速向第七十四师靠拢；又急今莱芜之第五军南下，鲁南之第六十四师和第二十师赶向垛庄、青驼寺，楼德之第九师赶向蒙阴增援，企图内外夹击，与我军决战。张灵甫亦自恃建制完整，又处于战线中心，外有大量援军，要求空投弹药，依托山头高地固守。在蒋介石严令督促下，蒋军各路援兵，一齐向蒙阴东南急进。
这时的关键，一是围歼第七十四师能否迅速解决战斗；二是阻援力量能否挡住敌之援军。根据战场形势发展，陈毅同志当即发出了“歼灭七十四师，活捉张灵甫”的响亮口号。广大指战员立下“攻上孟良岗，活捉张灵甫”“消灭七十四师立大功，红旗插上最高峰”的誓言。各级指挥员到**线督战，作战形式主要转入了阵地战。
围歼战是一场剧烈的阵地攻坚战。我军于十五日下午一时发起总攻，从四面八方多路展开突击。敌第七十四师和第八十三师十九旅五十七团麋集于孟良崮、芦山及附近山地。依托巨石，居高临下，不断对我发起反冲击。从战术上来说，依托阵地的反冲击，可以给对方以相当的杀伤，何况我军为了争夺每一个山头、高地，要从下向上仰攻，每克一点，往往经过数次、十数次的冲锋，反复争夺，直到刺刀见红，其激烈程度，为解放战争以来所少见。
我军发扬英勇顽强的战斗作风，逐次粉碎敌人的顽抗，缩小了包围困。张灵甫在我军强大攻势的重压下，组织了大规模的反击，先向南，又向西，后向东寻隙冲击，试图突出重围，均被我军击退，并遭到惨重杀伤。十五日晚，敌军已被压缩于东西三公里，南北二公里的狭窄山区。该地草木极少，水源奇缺，敌人空投的粮弹和水囊又大都落到我军阵地，数万敌军已处于极端饥渴难支的狼狈困境。
十六日上午，我军再次发起攻击，首先集中强大的炮兵火力，向敌军密集的山头、高地猛烈轰击。在浓烟和火光中，敌人的血肉与岩石碎片齐飞，形成一片混乱，我步兵在强大炮火掩护下猛烈冲击，越战越勇，指战员不待上级命令，哪里有敌人就向哪里冲。十六日下午，攻占了所有高地，敌军官兵纷纷就擒，猖狂一时的张灵甫及副师长蔡仁杰均被击毙，我担任突击的五个纵队的英勇健儿，会师于孟良崮、芦山顶峰，欢呼声惊天动地。
阻援战斗则是艰苦的阵地防御战。我军利用既设野战工事进行了顽强的阻击，象一座座坚固的堤坝，挡住了敌人一波又一波的冲击，敌第五军被我第十纵队箔制住；敌第十一师被我第三纵队抑留于蒙阴以北；敌第六十五师在我**、第六纵队各一部阻击下，前进不到十公里；敌第七军第四十八师被我第二、第七纵队箔制住；敌第二十师、第六十四师被我鲁南军区地方武装牵制，未能及时赶到青驼寺。敌第二十五师、第八十三师虽逼近我军包围圈，与第七十四师相距仅五公里左右，并对我形成炮兵火力交*，但仍无济于事。
在收拢部队、清点战果之时，我电台发现孟良岗地区仍有敌人电台活动，似有残部隐匿，我们立即严令各部清查毙伤俘敌实数。根据各部报告，我发现所报歼敌数与七十四师编制数相差甚大，即今各部继续进行战场搜索。当时山雨欲来，阴云密布，能见度很低。部队在严密搜索中又发现约有七千余敌隐藏在孟良崮、雕窝之间的山谷中，已开始集结，这说明我军搜索不严，同时也说明各部均能如实报告歼敌实数，不事浮夸，才得以发现这股残敌。于是我即今第四、第八、第九纵队立即出动兜剿。各部队不顾疲劳，复又投入战斗，十六日下午五时全部肃清残敌。至此，我们的战役意图得到完全实现。蒋介石的精锐主力、嫡系中的嫡系、整编第七十四师，悉数就歼。我们取得了战役全胜。我立即打电话报告陈毅同志，陈总在电话中兴奋地说：我在电话里向全体将士们祝酒致贺！
这次战役，我歼敌三万二千余人，彻底粉碎了敌统帅部“鲁中决战”的计划，严重挫败了敌对山东的重点进攻，极大地震动了蒋军内部，有力地鼓舞了全国人民的胜利信心，配合了陕北及其他战场的胜利攻势。战役结束后，敌**兵团司令汤恩伯被撤职，整编第二十五师师长黄百韬、第八十三师师长李天霞等也受到处分。蒋介石多次痛心疾首地说：“孟良崮的失败，是我军剿匪以来最可痛心最可惋惜的一件事”；“真是空前的大损失，能不令人哀痛”；“必须等到我们全军一番起死回生的改造之后，乃能作进一步的打算。”王耀武表示“对七十四师之失，有如丧父之痛”。蒋介石等的哀鸣，说明了此役给敌人打击之惨重，而所云“起死回生”，不过是一场幻梦。后来的事实证明，经过孟良崮战役，敌入虽仍未放弃对山东实施重点进攻的计划，但其进攻的势头已经被打掉了，并且从上到下真正地被我们打怕了。