华东野战军象耍龙灯一样南征北战，调动敌人，隐蔽待机麻痹敌人，战机终于出现了。
粟裕认为74师的突前冒进，为我军歼灭它提供了条件。经过认真分析和精细计算，我军虽然在总兵力上不占优势，但经过科学调度和巧妙布阵，可在局部形成五比一的绝对优势，全歼74师是完全可能的。粟裕的想法得到陈毅的大力支持，陈毅说:我们就是要有从百万军中取上将首级的气概！
74师是蒋介石嫡系中的精锐，是王牌中的王牌。它全美械装备，经过美军训练，战斗力在国军中首屈一指。解放战争以来，74师先后抢占淮阴、涟水，是我军的死敌。
1947年5月12日，陈毅、粟裕向中央军委报告了打74师的计划。同日，华东野战军召开会议，粟裕就如何歼灭74师进行了部署，以5个纵队和特种兵纵队担任主攻，以4个纵队担任阻援，以地方武装牵制、袭扰敌人。
战役的关键是要把74师这个「上将」从「百万军中」剜割出来，而剜割的关键，就是穿插部队能否坚决插向74师后方，把74师同附近的敌人分割开，与正面攻击部队将74师团团包围，彻底歼灭。
就在我华东野战军准备围歼74师时，5月13日，74师师长张灵甫指挥大军，继续向坦埠方向进攻，占领了大箭、马山等地。当晚，华野穿插部队开始向74师背后插去。
14日拂晓，74师张灵甫接到报告：当面共军有积极反击的迹象。他不相信，仍命令74师向指定目标进攻。清晨，74师各部相继报告天马山、覆伏山、万泉山受到共军进攻。张灵甫这才确信解放军要包围74师，急令74师迅速撤退到孟良崮、垛庄一带。当日，我军占领尧山、天马山、蛤蟆崮、黄家峪等制高点，切断了74师与外界的联系。
张灵甫本想撤回垛庄，但撤退中得知垛庄已被我军占领，只得被迫退向孟良崮，凭借山险固守待援。
汤恩伯接到张灵甫的报告，在震惊之余，又认为这正是与共军决战的大好时机。74师战斗力极强，又凭险据守，附近有众多部队可以增援。国民党统帅部企图以74师为「磨心」，来个「中心开花」，以10个师的强大兵力对华野5个纵队进行反包围。
张灵甫自恃建制完整，外有援兵，表示坚守孟良崮。孟良崮石质坚硬，无法构筑工事。士兵用石头堆起石墙，阵地前设了鹿砦和障碍物，隐蔽在山沟和石缝里。
14日夜，我军从几个方向向74师盘踞的山头发起攻击，彻夜激战，推进到唐家峪、赵家城子一线，使进攻孟良崮的5个纵队打通了联系，将74师合围在孟良崮狭小山区，并构成了阻击援敌的防线。
当夜23时，粟裕下达命令：15日3时发起总攻，争取于上午解决战斗。陈毅当即发出「歼灭74师，活捉张灵甫」的战斗号召。
1947年5月15日晨，在我全力围歼74师的关键时刻，敌人各路援军在南京方面的一再催促下，发了疯似的向我军发起攻击，企图撕开包围圈，为74师解围。敌人向我覆浮山、界牌、天马山阵地发动攻击。最近时距离74师不足5公里。但在我军的顽强阻击下，始终无法形成突破。
15日，孟良崮的战斗空前激烈。敌人依托地形山势，布置交叉火力网，居高临下不断发起反冲击。我军与敌军展开肉搏，每一处阵地都经过数次乃至十几次冲锋和反冲锋。短兵相接，刺刀见红，激烈程度为解放战争以来罕见。到下午3时，在我军5个纵队的猛攻下，74师伤亡惨重。孟良崮山上断水断粮，敌人的战斗力和士气大大下降。张灵甫的信心也动摇了，他拼命向汤恩伯和南京方面呼叫，要求增援。
15日中午，汤恩伯致电张灵甫，在给74师打气的同时，要求74师坚毅奋斗，以达成此伟大任务。但张灵甫坚持不下去了，他命令全师突围。下午，74师集中全力先后向几个方向寻求突围，但始终没能突出我军重围。
战斗到15日黄昏，74师被我军压缩到孟良崮、芦山东西3公里，南北2公里的几个山头上。张灵甫躲在一个山洞里，徒劳的一遍遍呼叫着援军。
15日晚，决战决胜的时刻到了，陈毅判断敌人的各路援军正在围上来，如果16日前不能全歼74师，我军将被敌人包围。他决心不论付出多大代价，也要全歼74师。粟裕下达总攻部署，命令各部于16日凌晨1时对孟良崮发起总攻。
16日凌晨，总攻开始。我军集中全部炮火向孟良崮山上猛轰，几路大军杀声震天，攻势如潮。
就在74师即将覆灭之时，蒋介石下达了严厉的命令，各路援军不能不拼命了。但我阻击部队表现出了顽强的战斗精神，与敌军死缠烂打，反复争夺，坚决不后退，为孟良崮战役的胜利赢得了时间。
到16日下午17时，我军5个纵队会师于孟良崮、芦山山顶，74师师长张灵甫被击毙，官兵纷纷投降，战斗全部结束。
孟良崮战役，华东野战军以伤亡12000余人的代价，全歼整编第74师及83师一个团，共毙伤13000余人，俘虏19676人，合计歼灭32600余人。
毛泽东高度评价孟良崮战役：歼灭74师意义极大！
此战，实现了百万军中取上将首级的的战役目标，充分体现了我军歼敌决心的坚定性和战术运用的灵活性，展现了粟裕大将高超的指挥艺术和全体指战员不怕牺牲英勇战斗的大无畏精神！
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