张灵甫清点后发现建制尚完整，部队战斗力意识很强，按照计划已经居于战线中央，很快会得到左右邻的积极增援，因此，一面请求空投粮弹，一面调整部署，固守待援。
华东野战军指挥部鉴于蒋介石调动10个整编师的兵力来援，且多数已距盂良崮仅一至两天路程，有的只有十几公里，情况十分紧急，如不能在短时间内歼灭整编第74师，将陷入10个整编师的围攻之中。
为此，于15日令阻援部队坚决阻击各路援赦，令主攻部队不惜代价加速猛攻，一定要在援赦赶到之前迅速歼灭整编第74师。
5月15日晨，整74师被围困于孟良崮为核心的几个山头上，主要是520、东西540、600、610高地，及芦山、雕窝等地。13时，华东野战军发起总攻，各部队从四面八方多路突击，整编第74师竭力顽抗。
激战至16日上午，华东野战军攻占雕窝、芦山，整编第74师主阵地全部丢失。下午天阴云低，能见度很差，华东野战军以为整编第74师已被全歼，但在核算俘虏人数时，发现歼敌数与该师编制数相差万余人。
部队随即严密搜索，终将整编第74师及整编第83师1个团余部全歼，击毙张灵甫 。
16日16时半战斗结束时，华东野战军发现敌电台在活动，粟裕命令第4、第8、第9纵队对孟良崮、雕窝间的山谷进行搜索。至18时，共搜出匿敌7000余人。
在华东野战军主力围歼整编第74师过程中，担任阻援任务的第2、第3、第7、第10纵队及鲁南、滨海等军区部队，积极牵制和阻击各路援敌。国民党军各路援军
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