1947年5月13日，张灵甫收到华东野战军即将反击的情报时，并未将其当回事。他根本不信粟裕敢于直接对抗，以为不过是常规小规模冲突。即使部队和华野前锋遭遇，他也误以为是友军前来配合。因此，他继续指挥74师向坦埠推进。

14日一早，随着天马山、马牧池和磊石山一带部队接连遭受重挫，张灵甫这才意识到情况不妙。急忙带队向垛庄方向撤退，但垛庄已为解放军控制。迫不得已，他只好掉头转向孟良崮，企图在那里凭险固守。

至此，张灵甫才彻底明白，整编74师已然陷入重围。无奈之下，他开始在孟良崮修筑防御阵地，希望能从核心阵地突围求生。

张灵甫一直自负于74师战力。向上级求援时，他原以为汤恩伯会鼎力相助，没想到两人积怨已深，汤恩伯选择按兵不动，仅象征性出动10个师，试图对华野形成反包围。在他74师本是国民党军的王牌，借助孟良崮的有利地势，应可自保。

同样值得注意的是，黄百韬和李天霞的部队名义上执行支援任务，实则并未尽全力。尤其是83师师长李天霞，只派一个连作掩饰，顺带电台通联，几乎可以说并无实际动作。黄百韬后期倒较为积极，一度突近至距孟良崮五公里，火力几乎能波及崮上的防线，胡琏的11师也正向孟良崮推进。但整体而言，对74师的解围并未形成合力。

坐困孤山，防线漏洞百出，粮弹补给更成难题。孟良崮地形恶劣，张灵甫仿佛重演了“街亭之败”，选择据险防守。本想据守待援，然而地形注定条件艰苦。在与华东野战军五个纵队展开激烈对抗时，张灵甫仍选择固守高地布防。

可是，山头以岩石为主，难以挖掘工事，掩体修建异常困难。山地面积又太小，三万官兵拥挤其上，防御阵地实际防护作用有限。山上没有可用水源。74师重武器极依赖水冷，缺水后持续射击很快导致机枪炮管发热失效。若继续强行射击，反而可能炸膛损毁装备。国军士兵回忆，曾经熬过了连续数小时射击后，武器只能停用，整编74师引以为傲的强大火力，在水源短缺面前不过是摆设。

补给之难更不止于此。尽管沂水近在咫尺，到头来也只是空观。蒋介石曾调动空军空投物资，但由于定位偏差，多数补给却落到了华东野战军手中。持续苦战之下，粮弹皆尽，饮水无望。正是在此种困境下，粟裕于5月15日下令华野发起总攻。

这一时刻，张灵甫看到部队已无退路，援军遥遥无期，选择孤注一掷。他下令全军突围，无视汤恩伯此前“固守待援”的命令。殊不知，数次突击皆被坚决击退，张灵甫终于意识到对方是誓要全部歼灭74师，与己不死不休。突围无果，防线愈发收缩，最终全军被压缩至山头狭小地带。

经过连续激战，整编74师折损惨重，弹药枯竭，士气低迷，已经陷入绝境。5月16日上午，华东野战军再次发起全面进攻，74师濒临覆灭。此刻，国民党主力才在蒋介石强令下全力反击，然而时机已失，胜负定局。

这场战役，华东野战军付出了1.2万余人的伤亡；而一直被称作精锐的整编第74师，最终全军覆没，损失3.2万人。孟良崮一役，在国共双方的战争史上，成为极具转折意义的一页。