起因：从1947年3月起，国民党军放弃对解放区的全面进攻，缩短战线，集中兵力对陕北和山东实施重点进攻，企图首先占领这两个地区。在山东战场，由陆军总司令顾祝同在徐州设立司令部统一指挥，集中24个整编师编成3个机动兵团，采取加强纵深、密集靠拢、稳扎稳打、逐步推进的战法，由南向北向鲁中山区推进。其中第1兵团8个整编师共20个旅20万人，由司令官汤恩伯指挥，是进攻的主要集团，该兵团企图首先占领沂水、坦埠一线，然后与第2、第3兵团通力向北、向东进攻，迫使华东野战军主力决战或北渡黄河。第2“绥靖”区5个军部署在胶济铁路（青岛—济南）和津浦铁路（天津—浦口）泰安以北地区，策应3个兵团作战；第3“绥靖”区2个整编师在峄县（今属枣庄）、枣庄为二线部队。3月下旬至4月中旬，国民党军打通了津浦铁路徐州至济南段，占领了鲁南，接着向鲁中山区发动进攻。
面对国民党军的重点进攻，华东野战军积极寻找战机。但由于国民党军接受了以往屡遭歼灭的教训，改变了战法，集中兵力、行动谨慎，华东野战军除4月下旬在泰安歼其整编第72师主力外，几次作战部署都没有实现。5月4日，中共中央军委向华东野战军发出指示：“敌军密集不好打，忍耐待机，处置甚妥。只要有耐心，总有歼敌机会。”5月6日又指示：“第一不要性急，第二不要分兵，只要主力在手，总有歼敌机会。”根据这些情况，华东野战军司令员兼政治委员陈毅、副司令员粟裕于5月上旬调整部署，将主力后撤一步，向东移进，并命令准备南下华中的第2、第7纵队隐蔽集结于莒县地区，以进入鲁南的第6纵队隐蔽在平邑附近地区，待机配合主力作战。
蒋介石以为华东野战军后撤是攻势疲惫、无力决战，遂于5月10日下令跟踪剿灭，顾祝同转令3个兵团放胆向博山、沂水一线疾进。右翼第1兵团改变原定的稳扎稳打战法，不待第2、第3兵团统一行动，即以整编第74师为骨干，在整编第25、第83师的配合下于5月11日自垛庄、桃墟地区进攻坦埠，企图乘隙占领沂水至蒙阴公路。另外，以第7军及整编第48、第65师在左右两侧担任掩护。
5月11日，陈毅、粟裕等获悉第7军、整编第48师由河阳出动，先头部队已占苗家曲、界湖正向沂水进犯时，准备首先歼灭该敌并视机求歼援敌。作战命令下达后，又查明汤恩伯兵团的行动计划及整编第74师正向坦埠推进，认为先歼灭整编第74师更为有利。
之所以做出这样的决定，是因为：第一，整编第74师下辖的第51、第57、第58旅全部美械装备，经过美军训练，属国民党军甲种装备师，号称“五大主力”之一，歼灭该师将震撼敌军，沮丧其士气；第二，师长张灵甫自恃作战有功，骄横跋扈，与其他部队矛盾较深，如围歼该部其他部队不会积极援助；第三，该师处于较突出地位，与左右邻之间空隙较大，便于分割围歼；第四，华东野战军主力位于该师进攻正面，不需要作大的调动就可出其不意地迅速集中5倍于该师的兵力加以围歼；第五，蒙阴、沂水地区多为岩石山区，地形复杂，便于华东野战军隐蔽集结和寻隙穿插。
陈毅、粟裕等毅然改变决心，12日早晨令正在东移的各部队立即西返蒙阴以东坦埠以南地区，并做出了在敌重兵集团密集靠拢的态势下从其战线中央割歼整编第74师的部署。具体的作战安排是：以第1、第4、第6、第8、第9纵队和特种兵纵队担任主攻；以第2、第3、第7、第10纵队担任阻援；另以地方武装牵制各路援敌，并在临沂及临泰公路沿线敌之后方袭扰与破坏。此后，孟良崮战役爆发。
经过：5月11日—13日，整编第74师在整编第83、第25师掩护下自垛庄北进，先后占领杨家寨、佛山角、马牧池等地，准备14日攻占坦埠。13日晚，华东野战军担任迂回穿插任务的第1、第8纵队以一部兵力在整编第74师正面实施阻击，主力从其两翼寻隙向纵深锲入。
第1纵队第3师攻占曹庄及其以北高地，逼近蒙阴，在正面阻击整编第65师。纵队主力攻占黄斗顶山、尧山、天马山、界牌等要点，割断了整编第74师与整编第25师的联系，并歼整编第25师一部，该师大部缩回桃墟。第8纵队主力攻占桃花山、磊石山、鼻子山等要点，割断整编第74师与整编第83师的联系，一部占领孟良崮东南的横山、老猫窝。同时，第4、第9纵队从正面发起攻击，占领黄鹿寨、佛山及马牧池、隋家店一线，扼制了整编第74师的进攻。位于鲁南敌后的第6纵队由铜石地区急速北上，于14日晨抵达垛庄西南观上、白埠地区。
13日晚，整编第74师前沿据点遭到攻击时，张灵甫仍准备于14日执行攻占坦埠的计划。14日，当他得知天马山、马牧池、磊石山等地失守后，预感到有被围歼的危险，即仓促向孟良崮、垛庄方向撤退，并组织一部兵力进行反击。华东野战军发现整编第74师南撤，立即乘胜猛攻。担任正面攻击的第4、第9纵队经彻夜攻击，进占唐家峪子、赵家城子一线；第6纵队在第1纵队一部协同下，于15日拂晓攻占垛庄，截断了整编第74师的退路；第8纵队攻占万泉山，同第1、第6纵队打通了联系，在芦山、孟良崮地区形成了对整编第74师的四面包围。
整编第74师被包围，蒋介石、顾祝同虽感吃惊，但认为该师战斗力强，所处地形有利，必能坚守，如果左右邻加速增援，可造成与华东野战军主力决战的机会。因此，除令整编第74师固守待援、牵制华东野战军主力外，严令新泰的整编第11师、蒙阴的整编第65师、桃墟的整编第25师、青驼寺的整编第83师以及河阳、汤头的第7军、整编第48师等部迅速向整编第74师靠拢，并调第5军自莱芜南下，整编第20师自大汶口向蒙阴前进，企图用10个整编师的兵力在蒙阴、青驼寺地区歼灭华东野战军主力。张灵甫也自恃建制完整、部队战斗力强，并且居于战线中央，容易得到左右邻的积极增援，因此一面请求空投粮弹，一面积极调整部署，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，且多数已距孟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，指挥部在15日命令阻援部队坚决阻击各路援敌，命令主攻部队不惜任何代价加速猛攻，一定要在援敌赶到之前迅速歼灭整编第74师。各部队积极开展战场鼓动工作，指战员虽连日苦战、饥饿疲劳，但见整编第74师已陷于绝境、指日可歼，纷纷表示要坚决完成歼敌任务，战斗情绪极为高昂。
5月15日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。每一阵地均经反复争夺，有的阵地得而复失，几次易手。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，华东野战军指战员挤满了各个山头，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。各部队随即严密搜索，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。
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。国民党军各路援军在蒋介石、顾祝同的再三严令下虽拼力前进，有的进至距孟良崮5公里处，炮弹已能打到孟良崮，但由于遇到顽强阻击，不仅未能挽救整编第74师，而且本身也遭到重大伤亡。
结果与影响：在孟良崮战役中，鲁中地区人民群众在国民党军进攻时实行空舍清野，使其无法得到粮草和情报。当华东野战军出击时，他们纷纷返回家乡，做饭烧水，支援作战，并组织20万民工支前，为这次战役的胜利做出了巨大的贡献。
在这场战役中，华东野战军在国民党军重兵集团密集前进的态势下，从战线中央割歼其精锐整编第74师及整编第83师1个团共3.2万余人。这一胜利粉碎了国民党的“鲁中决战”计划，并且对挫败其对山东解放区的重点进攻具有决定性意义。
