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，在蒋介石、顾祝同的再三严令下虽拼力前进，有的进至距盂良崮5公里处，炮弹已能打到孟良崮，但由于遇到共军阻击，不仅未能挽救整编第74师，而且遭到重大伤亡。
此役，华东野战军歼灭国民党军整编第74师及附属第83师一个团，共计32680人，其中俘虏19680人。孟良崮战役中整编74 师这一"王牌"军被毁，沉重打击了国民党的嚣张气焰，基本粉碎了国民党对山东解放区的重点进攻。创造了在敌重兵集团密集并进的情况下，从其战线中央割歼进攻主力的奇迹。
此役的胜利，不仅在心理上极大地震撼了国民党军队，也打乱了国民党军队在山东的重点攻击部署。他们不得不对战役计划作新的调整。重新发起的攻势已没有了初期的强劲势头。
号称天下第一师74师全军覆没，爱将张灵甫被击毙，精心炮制的“中心开花”计划却令自己损兵折将。蒋介石十分恼火，一方面为张灵甫及军官们举行了盛大的追悼仪式，另一方面下令要严肃追究那些孟良崮战场上指挥作战不力和救援整编七十四师不力的将领们，以泄其心中的怨恨。
首当其冲的就是国民党陆军总司令顾祝同，他是江苏涟水人，毕业于保定陆军军官学院，以忠心见用于蒋介石，既是蒋介石五虎上将，又是蒋介石的八大金刚。
孟良崮战役后，蒋介石曾在日记中愤恨地写到：“鲁中军务（指孟良崮战役），因顾墨三（顾祝同字墨三）之无知妄作，致余之意图与计划，遭受挫败，且使七十四师陷于覆没，思之殊愤恨无已也！”
下令将顾祝同撤职查办，但顾祝同毕竟是蒋介石亲信，不久就又调任国防部参谋总长。
第二个受到蒋介石惩处的是汤恩伯，他是浙江金华人（和蒋介石是浙江老乡），黄埔系骨干将领，在孟良崮战役期间担任第一兵团司令，是张灵甫的上级直接领导。
蒋介石认为汤恩伯不待第二兵团、第三兵团统一行动，就贸然命令张灵甫率领整编七十四师由驻地垛庄北进，埋下了整编七十四师全军覆没的祸根。蒋介石下令将汤恩伯撤职查办，据说还当着众人的面用手杖责打汤恩伯（打得头破血流），但汤恩伯作为蒋介石的心腹，不久之后就复出担任陆军代总司令、京沪警备总司令等职务。
再看看前线增援部队将领，当时离孟良崮最近的两位将领分别为李天霞，黄百韬。
李天霞是上海宝山人，毕业于黄埔三期，算是一位老牌战将，在孟良崮战役期间担任整编八十三师师长，负责掩护张灵甫的右翼。据说李天霞不全力救张灵甫，因他们为了争夺74军军长职位，而产生的矛盾，其实在74军中，论战功，资历，职位李天霞都比张灵甫要高，只因为张灵甫有王耀武，俞济时等人的支持，才当选74军军长。因为有了之前的矛盾，普遍传言李天霞在张灵甫被包围期间见死不救，对救援命令虚与委蛇，蒋介石听闻之后下令将李天霞就地枪决。
幸好汤恩伯及时陈述了战场经过，李天霞才被免一死，但还是被押解到南京军事法庭接受审判。此后，李天霞通过行贿，并以“自己也损失了一团”为借口申辩，最终不仅被判无罪释放，还被授予了三等云麾勋章，不久之后成功复出担任第七十三军军长。
黄百韬是广东梅县人，虽然出身于杂牌军队，但因在战场上卖命逐渐获得了顾祝同的赏识，在孟良崮战役期间担任整编二十五师师长。黄百韬率领整编二十五师负责掩护张灵甫的左翼，在增援张灵甫过程中，他还算是比效拼命，但是遭到华野阻击，无论黄百韬怎么拼命前进，都无法前进一步，但是，蒋介石的爱将战死，让他十分伤心，俗话说得好，欲加之罪，何患无辞，加上黄百韬又是杂牌出身，自然也受到惩罚。
但是，后来在顾祝同的求情下，加上当时蒋介石急需能征善战之将，因此黄百韬又得到重用，不过黄确实是一位悍将，在后来战争中，多次击退华野，成为粟司令最强劲的对手。
再来看看，作战计划的倡议者和执行者，赵继统虽被迁怒，但只是骂了几句了事，毕竟他只是发现自己家有共谍，提议利用一下而已。从本心说不能算错，还有蒋经国在一旁说情，骂几句也就算了。
毛人凤被打的比汤恩伯还狠，在老蒋的心中他的能力比起戴笠来差的太多了，奈何他紧紧依靠着夫人，又不好过分苛责，只能亲自动手泄愤了···
还有那个内鬼管家，在他眼皮子底下给溜走了，若不然还能将责任推给“桂系”一方···