1947年5月15日，在魯中地區蒙陰縣東南的孟良崮和蘆山一帶，炮火怒吼，硝煙彌漫，一場驚天動地的大戰正在進行，我華東野戰軍主力向國民黨王牌部隊張靈甫指揮的整編74師發起總攻。整編74師清一色美械，兵強馬壯，按照粟裕的部署，華野動用了5個縱隊擔任主攻，4個縱隊打援。
蔣介石嚴厲督促各路援軍向孟良崮推進，張靈甫也在頻頻求救。華野擋住了敵援，敵25師和83師離得近，炮彈都能打到孟良崮了。74師3萬多人被壓縮在方圓兩三公裏的山地上，死守待援，戰鬥極其慘烈。
敵軍占據著有利地形，拼命反擊，成群結隊往下猛沖。每一個山頭、要點都要經過反復爭奪，雙方用刺刀拼殺，拿槍托砸，血肉橫飛。敵軍飛機空投的補給大都落在我軍手上，時間一點點過去，敵軍陷入饑渴難支的困境。
戰至16日上午，陳毅和粟裕下令向孟良崮發起又一輪炮火急襲，步兵在炮火的掩護下奪取陣地，一點點往前拱，一些絕望的守敵開始打白旗，放棄了抵抗。下午，隨著6縱特務團攻入74師指揮所藏身的山洞，擊斃張靈甫，孟良崮戰役基本結束。各部隊紛紛打掃戰場，向前指匯報戰果，收攏部隊。
粟裕覺得俘虜人數不對勁，這麽大一個整編74師，俘虜才幾千人，他們抵抗很頑強不假，但3萬多人不可能只有幾千人繳械。
剛好華野情報處匯報，他們透過無線電偵察手段發現，敵人還有電台在向援軍呼救。粟裕判斷，74師還有為數不少的殘敵。作戰科已經起草了電報稿，準備向中央軍委報捷，拿給粟裕審閱，粟裕擺擺手說，先不要發，同時命令參戰部隊重新統計戰果，擊斃、俘獲敵人的人數一定要精確無誤，要仔細搜山，沒有命令，不許停止。
大家覺得仗已經基本打完了，派小股部隊搜山就行了，沒必要興師動眾。粟裕說：「兵法上有窮寇莫追，意思是狗急了還要跳墻，弄不好會被反咬一口。我們打的是殲滅戰，就是要追窮寇，把他徹底消滅。我反覆核對了殲敵數碼，應該還有7000 敵人躲起來了，這可不是小數目，弄不好會給我們造成不必要的損失。」
原來，粟裕根據參謀處統計的戰果，與敵整編74師編制人數對比，發現出入很大。各部隊上報的總殲敵人數是2.5萬余人，包括幾千名俘虜，但整編74師的編制人數是3.26萬，還差7000人對不上號。
孟良崮戰役華野斬獲頗豐，不過自身損失也很大，總傷亡人數達1.2萬，其中陣亡的就有2000余人。整編74師是華野的死敵，如果真讓7000敵兵跑了，後悔也來不及。粟裕當機立斷，命令各縱隊組織輕裝部隊，嚴密搜尋，尤其要註意隱蔽的山溝，不準放跑一個敵兵。
當時天氣突變，孟良崮上空起了烏雲，山雨欲來，能見度很低，給搜山增加了難度。大家聽說還有幾千殘敵，自然是掘地三尺也要找到。果然，搜山部隊很快在孟良崮和雕窩之間的山谷裏發現了大批敵軍，正是74師的殘部，他們打算等到夜裏突圍。
粟裕的警覺讓7000敵兵失去了突圍的機會，華野第4、第8、第9縱隊顧不上疲勞，立即將殘敵包圍起來，發起攻擊。殘敵已失去鬥誌，經我軍喊話勸降，稍一交火就繳械了。至此，國軍整編74師悉數被殲。
這場大戰，華野殲滅敵軍3.2萬人，其中斃傷1.3萬，俘虜將近2萬，繳獲各型火炮42門，迫擊炮235門，炮彈7000多發；輕重機槍將近1000挺，長短槍9800多條，彈藥200萬顆。還有43具火箭筒，28個電台，近1400匹軍馬，擊毀擊傷4輛坦克和裝甲車。由此可見，敵74師的彈藥還比較充足，主要是吃喝供應不上了。
再次統計戰果後，粟裕才讓作戰科給中央軍委發捷報，並給陳毅打電話匯報情況。陳毅在電話裏興奮地說：「好！太好了！我要向全體將士祝酒致敬！」說罷，陳毅如釋重負般坐下來，嘆著氣說：「嗨呀，這三天三夜算是熬過來了！以後我的兒子，說什麽也不讓他去帶兵打仗！」身邊的人都呵呵笑起來。
捷報傳出，全軍為之振奮。外圍敵兵也跑了，華野各部隊在孟良崮、蘆山會師，當真是歡聲雷動，震天動地。官兵們都稱贊粟裕料敵如神，這仗打得痛快。陳毅見到粟裕，也緊緊握著他的手說：「老夥計，這個仗，你是越打越神了啊！」粟裕連聲說不敢當。
作為戰役實際指揮者，粟裕更是累得不行。從萊蕪戰役到孟良崮戰役，粟裕從來沒有睡過囫圇覺，腦力、體力消耗很大。頭部的舊傷導致的頭痛時常發作，他不得不戴著一種金屬制作的健腦器堅持工作。從敵軍進入魯中到孟良崮戰役結束，粟裕帶病工作，好幾天沒合眼，臉漲得通紅。戰後醫生給他測血壓，嚇了一跳，血壓竟高達220度。
孟良崮戰役的勝利意義非凡，挫敗了國民黨軍對山東地區的重點進攻，山東的戰局開始扭轉，魯中解放區軍民歡欣鼓舞。正如毛主席給華野的電報裏所說，殲滅敵74師，我軍付出代價較多，但意義極大，證明我軍在魯中地區作戰，完全能夠用各種方法擊敗來犯之敵，取得決定性勝利。
5月22日，延安釋出的時評對華野的勝利也是不吝贊美之詞，說華東野戰軍和華東解放區的人民在全國的自衛鬥爭中，擔負的任務最重，得到的成就也最榮耀。時評裏還列舉了幾個蒙陰勝利特殊的意義，認為這是解放戰爭的轉折點，意味著全國解放區全面反攻的時刻即將來臨。
孟良崮戰役是粟裕軍事生涯中的神來之筆，將反常用兵、出奇制勝的指揮藝術發揮得淋漓盡致。後來粟裕總結這次戰役，說打這種大仗，不能坐待條件完全成熟再出擊，如果指揮員看不到戰機，不敢下決心，是很難取得勝利的。
