1947年，国民党军对解放区发起的全面进攻多方受挫，屡战屡败，蒋介石吃亏后决定改变进攻策略，收缩兵力重新集结之后发动重点进攻，蒋介石的战略意图是让顾祝同来接替薛岳在徐州全权负责剿总事宜。
莱芜战役后，整个山东战场上国民党集中了24个整编师共计45万大军，采取集中兵力、首尾兼顾、左右为邻、稳扎稳打、齐头并进的战术，计划占领整个山东解放区，誓要将陈毅、粟裕率领的华东野战军消灭在山东战场上。
由于国民党部队换了战术，部队行进非常密集，5月上旬陈毅、粟裕率领华野主力转移至蒙阴、新泰、莱芜一带隐蔽集结寻求战机，顾祝同见华野主力避其锋芒向东撤退，遂命令各部追剿前进，同时命令汤恩伯率领整编74师、25师、83师从南线挺进进军沂水。
华野主力东撤后，粟裕就考虑如果国民党部队尾随而来，那么就要视敌情择其一路全歼之，如果敌人密集靠拢，就先攻打潍县作为诱饵，歼灭其援助之敌。
5月10日，汤恩伯兵团第7军和整编48师率先出动，企图占领沂水，这两支部队都是桂系的王牌，粟裕决定就先拿他们开刀，下达命令让第2、7、8纵队作为主力，第1、4、9纵队在外围隐蔽歼灭增援之敌，3、10纵队防御北犯之敌。
但是在临战之前，一个小契机却让粟裕改变了作战目标，当时华野总部隐藏在沂水和蒙阴之间的一个小镇当中，但在5月11日，这个小镇却遭到了国民党空军部队的轰炸，粟裕觉得为何国民党会出动空军专门轰炸这个小镇，肯定事出有因让人去查。
一查才得知，当时国民党一个排长被俘虏后关在了这里，他看到这里有很多天线，来往的人员很多还听到有人说“总部”，后来他逃回了国民党74师驻地，将这个消息报告给了张灵甫，张灵甫判断这里很有可能是华野总部，这才派了飞机前来轰炸。
粟裕不禁想张灵甫既然知道了这里是华野总部，会不会直接进犯呢？值此之际，代号“第4中队”的华东野战军司令部技术侦查部队给了粟裕一份情报，上面将汤恩伯兵团的部署情况全部标明，粟裕根据这些情报经过冷静的分析，认为国民党在山东战场要发起全线进攻了，整编74师就是国民党军的主要突击力量。
此时国民党已经知道坦埠是华野总部所在，整编74师作为箭头部队在两翼和后续部队的掩护下直扑而来，准备一举消灭华野指挥部，从而引起混乱聚而歼之，粟裕当机立断放弃了歼灭第7军和整编48师的作战计划，准备给国民党部队来个反包围。
他决定集结精锐纵队，趁敌人正在行军途中，接缝处有空隙的契机，采取“猛虎掏心”的办法从中央切入，将对我军威胁最大的整编74师与其他部队之间的联系切断，围歼蒋介石的“御林军”，彻底将这根硬骨头消灭干净。
粟裕将自己的打算给陈毅司令做了汇报，多年之后他在回忆录中提到了当时改变主意攻打整编74师的想法，主要有四点依据：
第一点就是只要歼灭74师，那么国民党军企图歼灭华野主力的愿望就会落空，改变战场态势，如果仍维持原状攻打第7军和整编48师，这两支部队只是桂系的嫡系而不是老蒋的嫡系，那么其他部队很可能会置若罔闻，继续按原计划对我军进行包围，如此一来反而会陷入两面作战的不利局面。
但整编74师就不一样了，这支部队是国民党五大王牌之一，全美式装备，无论是技战术还是装备兵员都是首屈一指，如果能够歼灭它，那就能够给国民党军从实力和精神两方面的打击，给敌我华野不好惹的印象，就连74师都能全歼，其他部队也得再掂量掂量，况且74师是华野的死敌 ，两淮地区的血债，还有淮阴涟水之辱，都是74师造成的，这次能将74师歼灭，对于华野指战员肯定能产生极大鼓舞。
第二点攻打歼灭侧翼、孤立的敌人一直是解放军的传统打法，华野也是如此，宿北战役围歼戴之奇师是唯一一次中央突破的打法，但当时四周的敌人距离较远，不像现在这样密集，所以说这次围歼张灵甫可以说是史无前例的。
同时在一年多的时间里华野先后打了苏北、鲁南、莱芜等战役，部队的技战术有了很大提高，各级指战员积累了很多大兵团作战经验，其次华野的武器装备也在战斗中不断加强，是具备围歼强敌的条件的。
而且敌人围绕整编74师采取中央突破的办法，肯定是看准了我军会避其锋芒主动后撤，如果这时候出其不意以中央突破反过来应对敌人的中央突破战法，就打他最强的74师，出其不意之下肯定可以收到奇效。
第三点就是山东战场上敌人集结了二十多个整编师进攻，而华野只有9个纵队外加一个特种兵纵队，兵力上是不占优势的，但现在张灵甫的74师已经集结到华野主力正面，我军兵力全部集中在这里，局部兵力对比是5:1，只要能够将74师的两翼还有后路切断，能以优势兵力发起对74师的围歼，战略上不出现失误是可以实现全歼的。
第四点就是强弱本来就是相对的，74师是重装部队，只要进入山区相当于自卸一臂，此消彼长之下华野就能发挥自己优势，且74师张灵甫骄纵自大，与其他友邻部队积怨颇深，只要我们坚决打援，其他部队很可能不会积极救援。
听了粟裕的阐述后，陈毅眼前一亮，粟裕的这个计划虽然大胆，但是如果用好了决定会将74师这个硬骨头打掉，他思虑后十分赞同，说道：好！我们就是要有百万军中取上将首级的气概，给他来个“猛虎掏心”，打掉整编74师，看他张灵甫还狂不狂！
5月11日，张灵甫率整编74师从垛庄出发，由孟良崮西麓向坦埠以南华野9纵阵地进攻，粟裕取得毛主席等人的同意后，决定以5个纵队担任主攻任务，4个纵队阻击敌人援兵，特种兵纵队也全部配备给主攻部队一同参战。
为了防止张灵甫后撤，粟裕命令王必成的6纵务必要赶在张灵甫察觉撤退之前占领垛庄，切断他的退路，王必成自从涟水之战败于张灵甫之后一直想要找回场子，这次粟裕就把这个机会给了他，接到命令后，王必成率领6中两万多人一天一夜急行军130公里，15日凌晨就攻占了垛庄，张灵甫的退路彻底被切断了。
张灵甫本打算撤回垛庄固守待援，没想到王必成抄了他的后路，就在垛庄被6纵占领后一小时，张灵甫无奈命令部队丢掉美式重炮和其他装备，收缩兵力上了孟良崮，依托孟良崮、芦山地区负隅顽抗等待救援。
此时双方的作战意图都很明显，如果国民党其他部队能够在74师被消灭前赶到孟良崮，那么华野将腹背受敌形势危急，反之74师撑不住，那么百万军中取敌首级就会严重地打击国民党军士气。
其实早在被切断退路之前，张灵甫就致电汤恩伯，让他督促左右友军尽快前来救援，当时他还抱着以身做饵的心态，想要来次中心开花，但是张灵甫这人仗着蒋介石的宠信骄傲自大，与其他部队长官关系都不怎么好，整编25师的黄百韬、83师李天霞等人救援自然不怎么尽力了。
张灵甫数次告急，在汤恩伯的严厉督促下，李天霞的83师畏缩着向前推进了几公里，刚与解放军交上火就裹足不前，黄百韬的108旅也是刚刚碰上解放军就“溃退”下来，这样一来，74师的两翼更加空虚。
李延年在张灵甫的司令部里催促黄百韬尽快救援，但黄百韬仍然不动一兵一卒，他知道李延年待不了多久，果然，李延年跟他通了电话后不一会儿就离开了74师，张灵甫看着黄百韬等人毫无动静，在司令部里大骂黄、李二人党国败类、见死不救。
由于74师的电台到处发求救呼叫，蒋介石也知道了张灵甫在山东情况危急，亲自给顾祝同、汤恩伯、黄百韬、张淦、李天霞等人下了命令，让他们不惜一切代价救援张灵甫，汤恩伯接到电报后就知道蒋介石发火了，再也不敢迟疑，连忙赶往垛庄准备指挥。
但是在半路上却遇见了从前线回来的副司令李延年，一问才知道垛庄被攻陷了，张灵甫后路被切断了，只怕凶多吉少，随后汤恩伯再次给黄百韬和李天霞下令让他们全速出击，黄、李二人这才拖拖拉拉地各自派出一个旅和一个团救援。
此时战场形势十分严峻，国民党在蒋介石的命令下调动了各部全力增援孟良崮，最近的不到10公里，最远的也就只有两天的行程，华野负责打援的部队压力越来越大，而此时各主攻部队还没有拿下74师，如果被敌人冲破封锁线后果不堪设想。
此时华野司令员陈毅也如坐针毡，听着各处增援部队的动静心急不已，15日晚他给前线的1纵司令叶飞打电话告知了敌人的增援部队动向，言明如果16日拂晓不能全歼74师，那么我军就会陷入敌人的包围圈当中。
电话里的陈毅也颇为忧心，他授权叶飞指挥华野1、4、6、9纵总攻孟良崮，说哪怕是付出两个纵队的代价也要拿下74师，还说部队打光了也要拿下敌人在所不惜，决心可见一般。
给叶飞打完电话后，他又给许世友打去了电话，说道：现在要不惜一切代价把孟良崮拿下来！你们打掉一千，我给你们补充一千，打掉两千，补充两千，谁攻上孟良崮谁就是英雄！
随后他又分别给其他两个纵队去了电话，各纵队司令员全都斩钉截铁地说保证完成任务，并向手下的师长们传达了指示，许世友挂断电话后提着大刀冲到了第一线，下令道：全纵师长当团长，团长当营长，营长当连长，随我冲！
在各纵队不计伤亡的冲锋下，每个山头都付出了惨烈的代价，16日上午，华野攻占了雕窝、芦山，整编74师主阵地全部丢失，下午3点，孟良崮主峰被攻占，张灵甫战死，74师亦被全歼。
孟良崮之战后华野实力大增，而国民党则全面从山东战场撤退，此战开创了中央突破歼灭强敌的范例，对瓦解国民党对山东解放区的重点进攻具有决定性意义。
后来粟裕回忆74师的覆灭曾说涟水保卫战对于张灵甫来说是个转折点，那一战让气焰嚣张的74师伤了元气，两次涟水之战74师的老兵伤亡了1/3，后来补充的兵员还没有训练好就拉到了山东战场，也为他的覆灭埋下了伏笔。
其实早在涟水之战后张灵甫就有预感，他发给胡琏和方先觉的电报中就曾说如果继续下去，不过年余就会死无葬身之地，如今孟良崮之战也印证了他的话，但他还是过于乐观地预估了，仅仅半年之后他就覆灭了，连带着74师也被全歼了。
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