1947年，國民黨軍對解放區發起的全面進攻多方受挫，屢戰屢敗，蔣介石吃虧後決定改變進攻政策，收縮兵力重新集結之後發動重點進攻，蔣介石的戰略意圖是讓顧祝同來接替薛嶽在徐州全權負責剿總事宜。
萊蕪戰役後，整個山東戰場上國民黨集中了24個整編師共計45萬大軍，采取集中兵力、首尾兼顧、左右為鄰、穩紮穩打、齊頭并進的戰術，計劃占領整個山東解放區，誓要将陳毅、粟裕率領的華東野戰軍消滅在山東戰場上。
由于國民黨部隊換了戰術，部隊行進非常密集，5月上旬陳毅、粟裕率領華野主力轉移至蒙陰、新泰、萊蕪一帶隐蔽集結尋求戰機，顧祝同見華野主力避其鋒芒向東撤退，遂指令各部追剿前進，同時指令湯恩伯率領整編74師、25師、83師從南線挺進進軍沂水。
華野主力東撤後，粟裕就考慮如果國民黨部隊尾随而來，那麼就要視敵情擇其一路全殲之，如果敵人密集靠攏，就先攻打濰縣作為誘餌，殲滅其援助之敵。
5月10日，湯恩伯兵團第7軍和整編48師率先出動，企圖占領沂水，這兩支部隊都是桂系的王牌，粟裕決定就先拿他們開刀，下達指令讓第2、7、8縱隊作為主力，第1、4、9縱隊在外圍隐蔽殲滅增援之敵，3、10縱隊防禦北犯之敵。
但是在臨戰之前，一個小契機卻讓粟裕改變了作戰目标，當時華野總部隐藏在沂水和蒙陰之間的一個小鎮當中，但在5月11日，這個小鎮卻遭到了國民黨空軍部隊的轟炸，粟裕覺得為何國民黨會出動空軍專門轟炸這個小鎮，肯定事出有因讓人去查。
一查才得知，當時國民黨一個排長被俘虜後關在了這裡，他看到這裡有很多天線，來往的人員很多還聽到有人說“總部”，後來他逃回了國民黨74師駐地，将這個消息報告給了張靈甫，張靈甫判斷這裡很有可能是華野總部，這才派了飛機前來轟炸。
粟裕不禁想張靈甫既然知道了這裡是華野總部，會不會直接進犯呢？值此之際，代号“第4中隊”的華東野戰軍司令部技術偵查部隊給了粟裕一份情報，上面将湯恩伯兵團的部署情況全部标明，粟裕根據這些情報經過冷靜的分析，認為國民黨在山東戰場要發起全線進攻了，整編74師就是國民黨軍的主要突擊力量。
此時國民黨已經知道坦埠是華野總部所在，整編74師作為箭頭部隊在兩翼和後續部隊的掩護下直撲而來，準備一舉消滅華野指揮部，進而引起混亂聚而殲之，粟裕當機立斷放棄了殲滅第7軍和整編48師的作戰計劃，準備給國民黨部隊來個反包圍。
他決定集結精銳縱隊，趁敵人正在行軍途中，接縫處有空隙的契機，采取“猛虎掏心”的辦法從中央切入，将對我軍威脅最大的整編74師與其他部隊之間的聯系切斷，圍殲蔣介石的“禦林軍”，徹底将這根硬骨頭消滅幹淨。
粟裕将自己的打算給陳毅司令做了彙報，多年之後他在回憶錄中提到了當時改變主意攻打整編74師的想法，主要有四點依據：
第一點就是隻要殲滅74師，那麼國民黨軍企圖殲滅華野主力的願望就會落空，改變戰場态勢，如果仍維持原狀攻打第7軍和整編48師，這兩支部隊隻是桂系的嫡系而不是老蔣的嫡系，那麼其他部隊很可能會置若罔聞，繼續按原計劃對我軍進行包圍，如此一來反而會陷入兩面作戰的不利局面。
但整編74師就不一樣了，這支部隊是國民黨五大王牌之一，全美式裝備，無論是技戰術還是裝備兵員都是首屈一指，如果能夠殲滅它，那就能夠給國民黨軍從實力和精神兩方面的打擊，給敵我華野不好惹的印象，就連74師都能全殲，其他部隊也得再掂量掂量，況且74師是華野的死敵 ，兩淮地區的血債，還有淮陰漣水之辱，都是74師造成的，這次能将74師殲滅，對于華野指戰員肯定能産生極大鼓舞。
第二點攻打殲滅側翼、孤立的敵人一直是解放軍的傳統打法，華野也是如此，宿北戰役圍殲戴之奇師是唯一一次中央突破的打法，但當時四周的敵人距離較遠，不像現在這樣密集，是以說這次圍殲張靈甫可以說是史無前例的。
同時在一年多的時間裡華野先後打了蘇北、魯南、萊蕪等戰役，部隊的技戰術有了很大提高，各級指戰員積累了很多大兵團作戰經驗，其次華野的武器裝備也在戰鬥中不斷加強，是具備圍殲強敵的條件的。
而且敵人圍繞整編74師采取中央突破的辦法，肯定是看準了我軍會避其鋒芒主動後撤，如果這時候出其不意以中央突破反過來應對敵人的中央突破戰法，就打他最強的74師，出其不意之下肯定可以收到奇效。
第三點就是山東戰場上敵人集結了二十多個整編師進攻，而華野隻有9個縱隊外加一個特種兵縱隊，兵力上是不占優勢的，但現在張靈甫的74師已經集結到華野主力正面，我軍兵力全部集中在這裡，局部兵力對比是5:1，隻要能夠将74師的兩翼還有後路切斷，能以優勢兵力發起對74師的圍殲，戰略上不出現失誤是可以實作全殲的。
第四點就是強弱本來就是相對的，74師是重裝部隊，隻要進入山區相當于自卸一臂，此消彼長之下華野就能發揮自己優勢，且74師張靈甫驕縱自大，與其他友鄰部隊積怨頗深，隻要我們堅決打援，其他部隊很可能不會積極救援。
聽了粟裕的闡述後，陳毅眼前一亮，粟裕的這個計劃雖然大膽，但是如果用好了決定會将74師這個硬骨頭打掉，他思慮後十分贊同，說道：好！我們就是要有百萬軍中取上将首級的氣概，給他來個“猛虎掏心”，打掉整編74師，看他張靈甫還狂不狂！
5月11日，張靈甫率整編74師從垛莊出發，由孟良崮西麓向坦埠以南華野9縱陣地進攻，粟裕取得毛主席等人的同意後，決定以5個縱隊擔任主攻任務，4個縱隊阻擊敵人援兵，特種兵縱隊也全部配備給主攻部隊一同參戰。
為了防止張靈甫後撤，粟裕指令王必成的6縱務必要趕在張靈甫察覺撤退之前占領垛莊，切斷他的退路，王必成自從漣水之戰敗于張靈甫之後一直想要找回場子，這次粟裕就把這個機會給了他，接到指令後，王必成率領6中兩萬多人一天一夜急行軍130公裡，15日淩晨就攻占了垛莊，張靈甫的退路徹底被切斷了。
張靈甫本打算撤回垛莊固守待援，沒想到王必成抄了他的後路，就在垛莊被6縱占領後一小時，張靈甫無奈指令部隊丢掉美式重炮和其他裝備，收縮兵力上了孟良崮，依托孟良崮、蘆山地區負隅頑抗等待救援。
此時雙方的作戰意圖都很明顯，如果國民黨其他部隊能夠在74師被消滅前趕到孟良崮，那麼華野将腹背受敵形勢危急，反之74師撐不住，那麼百萬軍中取敵首級就會嚴重地打擊國民黨軍士氣。
其實早在被切斷退路之前，張靈甫就緻電湯恩伯，讓他督促左右友軍盡快前來救援，當時他還抱着以身做餌的心态，想要來次中心開花，但是張靈甫這人仗着蔣介石的寵信驕傲自大，與其他部隊長官關系都不怎麼好，整編25師的黃百韬、83師李天霞等人救援自然不怎麼盡力了。
張靈甫數次告急，在湯恩伯的嚴厲督促下，李天霞的83師畏縮着向前推進了幾公裡，剛與解放軍交上火就裹足不前，黃百韬的108旅也是剛剛碰上解放軍就“潰退”下來，這樣一來，74師的兩翼更加空虛。
李延年在張靈甫的司令部裡催促黃百韬盡快救援，但黃百韬仍然不動一兵一卒，他知道李延年待不了多久，果然，李延年跟他通了電話後不一會兒就離開了74師，張靈甫看着黃百韬等人毫無動靜，在司令部裡大罵黃、李二人黨國敗類、見死不救。
由于74師的電台到處發求救呼叫，蔣介石也知道了張靈甫在山東情況危急，親自給顧祝同、湯恩伯、黃百韬、張淦、李天霞等人下了指令，讓他們不惜一切代價救援張靈甫，湯恩伯接到電報後就知道蔣介石發火了，再也不敢遲疑，連忙趕往垛莊準備指揮。
但是在半路上卻遇見了從前線回來的副司令李延年，一問才知道垛莊被攻陷了，張靈甫後路被切斷了，隻怕兇多吉少，随後湯恩伯再次給黃百韬和李天霞下令讓他們全速出擊，黃、李二人這才拖拖拉拉地各自派出一個旅和一個團救援。
此時戰場形勢十分嚴峻，國民黨在蔣介石的指令下調動了各部全力增援孟良崮，最近的不到10公裡，最遠的也就隻有兩天的行程，華野負責打援的部隊壓力越來越大，而此時各主攻部隊還沒有拿下74師，如果被敵人沖破封鎖線後果不堪設想。
此時華野司令員陳毅也如坐針氈，聽着各處增援部隊的動靜心急不已，15日晚他給前線的1縱司令葉飛打電話告知了敵人的增援部隊動向，言明如果16日拂曉不能全殲74師，那麼我軍就會陷入敵人的包圍圈當中。
電話裡的陳毅也頗為憂心，他授權葉飛指揮華野1、4、6、9縱總攻孟良崮，說哪怕是付出兩個縱隊的代價也要拿下74師，還說部隊打光了也要拿下敵人在所不惜，決心可見一般。
給葉飛打完電話後，他又給許世友打去了電話，說道：現在要不惜一切代價把孟良崮拿下來！你們打掉一千，我給你們補充一千，打掉兩千，補充兩千，誰攻上孟良崮誰就是英雄！
随後他又分别給其他兩個縱隊去了電話，各縱隊司令員全都斬釘截鐵地說保證完成任務，并向手下的師長們傳達了訓示，許世友挂斷電話後提着大刀沖到了第一線，下令道：全縱師長當團長，團長當營長，營長當連長，随我沖！
在各縱隊不計傷亡的沖鋒下，每個山頭都付出了慘烈的代價，16日上午，華野攻占了雕窩、蘆山，整編74師主陣地全部丢失，下午3點，孟良崮主峰被攻占，張靈甫戰死，74師亦被全殲。
孟良崮之戰後華野實力大增，而國民黨則全面從山東戰場撤退，此戰開創了中央突破殲滅強敵的範例，對瓦解國民黨對山東解放區的重點進攻具有決定性意義。
後來粟裕回憶74師的覆滅曾說漣水保衛戰對于張靈甫來說是個轉折點，那一戰讓氣焰嚣張的74師傷了元氣，兩次漣水之戰74師的老兵傷亡了1/3，後來補充的兵員還沒有訓練好就拉到了山東戰場，也為他的覆滅埋下了伏筆。
其實早在漣水之戰後張靈甫就有預感，他發給胡琏和方先覺的電報中就曾說如果繼續下去，不過年餘就會死無葬身之地，如今孟良崮之戰也印證了他的話，但他還是過于樂觀地預估了，僅僅半年之後他就覆滅了，連帶着74師也被全殲了。
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