華東野戰軍象耍龍燈一樣南征北戰，調動敵人，隱蔽待機麻痹敵人，戰機終於出現了。
粟裕認為74師的突前冒進，為我軍殲滅它提供了條件。經過認真分析和精細計算，我軍雖然在總兵力上不占優勢，但經過科學排程和巧妙布陣，可在局部形成五比一的絕對優勢，全殲74師是完全可能的。粟裕的想法得到陳毅的大力支持，陳毅說:我們就是要有從百萬軍中取上將首級的氣概！
74師是蔣介石嫡系中的精銳，是王牌中的王牌。它全美械裝備，經過美軍訓練，戰鬥力在國軍中首屈一指。解放戰爭以來，74師先後搶占淮陰、漣水，是我軍的死敵。
1947年5月12日，陳毅、粟裕向中央軍委報告了打74師的計劃。同日，華東野戰軍召開會議，粟裕就如何殲滅74師進行了部署，以5個縱隊和特種兵縱隊擔任主攻，以4個縱隊擔任阻援，以地方武裝牽制、襲擾敵人。
戰役的關鍵是要把74師這個「上將」從「百萬軍中」剜割出來，而剜割的關鍵，就是穿插部隊能否堅決插向74師後方，把74師同附近的敵人分割開，與正面攻擊部隊將74師團團包圍，徹底殲滅。
就在我華東野戰軍準備圍殲74師時，5月13日，74師師長張靈甫指揮大軍，繼續向坦埠方向進攻，占領了大箭、馬山等地。當晚，華野穿插部隊開始向74師背後插去。
14日拂曉，74師張靈甫接到報告：當面共軍有積極反擊的跡象。他不相信，仍命令74師向指定目標進攻。清晨，74師各部相繼報告天馬山、覆伏山、萬泉山受到共軍進攻。張靈甫這才確信解放軍要包圍74師，急令74師迅速撤退到孟良崮、垛莊一帶。當日，我軍占領堯山、天馬山、蛤蟆崮、黃家峪等制高點，切斷了74師與外界的聯系。
張靈甫本想撤回垛莊，但撤退中得知垛莊已被我軍占領，只得被迫退向孟良崮，憑借山險固守待援。
湯恩伯接到張靈甫的報告，在震驚之余，又認為這正是與共軍決戰的大好時機。74師戰鬥力極強，又憑險據守，附近有眾多部隊可以增援。國民黨統帥部企圖以74師為「磨心」，來個「中心開花」，以10個師的強大兵力對華野5個縱隊進行反包圍。
張靈甫自恃建制完整，外有援兵，表示堅守孟良崮。孟良崮石質堅硬，無法構築工事。士兵用石頭堆起石墻，陣地前設了鹿砦和障礙物，隱蔽在山溝和石縫裏。
14日夜，我軍從幾個方向向74師盤踞的山頭發起攻擊，徹夜激戰，推進到唐家峪、趙家城子一線，使進攻孟良崮的5個縱隊打通了聯系，將74師合圍在孟良崮狹小山區，並構成了阻擊援敵的防線。
當夜23時，粟裕下達命令：15日3時發起總攻，爭取於上午解決戰鬥。陳毅當即發出「殲滅74師，活捉張靈甫」的戰鬥號召。
1947年5月15日晨，在我全力圍殲74師的關鍵時刻，敵人各路援軍在南京方面的一再催促下，發了瘋似的向我軍發起攻擊，企圖撕開包圍圈，為74師解圍。敵人向我覆浮山、界牌、天馬山陣地發動攻擊。最近時距離74師不足5公裏。但在我軍的頑強阻擊下，始終無法形成突破。
15日，孟良崮的戰鬥空前激烈。敵人依托地形山勢，布置交叉火力網，居高臨下不斷發起反沖擊。我軍與敵軍展開肉搏，每一處陣地都經過數次乃至十幾次沖鋒和反沖鋒。短兵相接，刺刀見紅，激烈程度為解放戰爭以來罕見。到下午3時，在我軍5個縱隊的猛攻下，74師傷亡慘重。孟良崮山上斷水斷糧，敵人的戰鬥力和士氣大大下降。張靈甫的信心也動搖了，他拼命向湯恩伯和南京方面呼叫，要求增援。
15日中午，湯恩伯致電張靈甫，在給74師打氣的同時，要求74師堅毅奮鬥，以達成此偉大任務。但張靈甫堅持不下去了，他命令全師突圍。下午，74師集中全力先後向幾個方向尋求突圍，但始終沒能突出我軍重圍。
戰鬥到15日黃昏，74師被我軍壓縮到孟良崮、蘆山東西3公裏，南北2公裏的幾個山頭上。張靈甫躲在一個山洞裏，徒勞的一遍遍呼叫著援軍。
15日晚，決戰決勝的時刻到了，陳毅判斷敵人的各路援軍正在圍上來，如果16日前不能全殲74師，我軍將被敵人包圍。他決心不論付出多大代價，也要全殲74師。粟裕下達總攻部署，命令各部於16日淩晨1時對孟良崮發起總攻。
16日淩晨，總攻開始。我軍集中全部炮火向孟良崮山上猛轟，幾路大軍殺聲震天，攻勢如潮。
就在74師即將覆滅之時，蔣介石下達了嚴厲的命令，各路援軍不能不拼命了。但我阻擊部隊表現出了頑強的戰鬥精神，與敵軍死纏爛打，反復爭奪，堅決不後退，為孟良崮戰役的勝利贏得了時間。
到16日下午17時，我軍5個縱隊會師於孟良崮、蘆山山頂，74師師長張靈甫被擊斃，官兵紛紛投降，戰鬥全部結束。
孟良崮戰役，華東野戰軍以傷亡12000余人的代價，全殲整編第74師及83師一個團，共斃傷13000余人，俘虜19676人，合計殲滅32600余人。
毛澤東高度評價孟良崮戰役：殲滅74師意義極大！
此戰，實作了百萬軍中取上將首級的的戰役目標，充分體現了我軍殲敵決心的堅定性和戰術運用的靈活性，展現了粟裕大將高超的指揮藝術和全體指戰員不怕犧牲英勇戰鬥的大無畏精神！
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