张灵甫清点后发现建制尚完整，部队战斗力意识很强，按照计划已经居于战线中央，很快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，固守待援。
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，但由于遇到共军阻击，不仅未能挽救整编第74师，而且遭到重大伤亡。
此役，华东野战军歼灭国民党军整编第74师及附属第83师一个团，共计32680人，其中俘虏19680人。孟良崮战役中整编74 师这一"王牌"军被毁，沉重打击了国民党的嚣张气焰，基本粉碎了国民党对山东解放区的重点进攻。创造了在敌重兵集团密集并进的情况下，从其战线中央割歼进攻主力的奇迹。
此役的胜利，不仅在心理上极大地震撼了国民党军队，也打乱了国民党军队在山东的重点攻击部署。他们不得不对战役计划作新的调整。重新发起的攻势已没有了初期的强劲势头。
号称天下第一师74师全军覆没，爱将张灵甫被击毙，精心炮制的“中心开花”计划却令自己损兵折将。蒋介石十分恼火，一方面为张灵甫及军官们举行了盛大的追悼仪式，另一方面下令要严肃追究那些孟良崮战场上指挥作战不力和救援整编七十四师不力的将领们，以泄其心中的怨恨。
首当其冲的就是国民党陆军总司令顾祝同，他是江苏涟水人，毕业于保定陆军军官学院，以忠心见用于蒋介石，既是蒋介石五虎上将，又是蒋介石的八大金刚。