解放战争时期，华野主力东移后，老蒋和陈诚误以为华野“攻势疲惫”，我军可能继续向东北方向撤退，故于1947年5月10日命令国军各部追剿我军，从而实现在鲁中山与华野主力决战的目的。
11日晚，华野战军侦察部门截获了汤恩伯发给部下的部署电报，立即将此事汇报给粟裕。粟裕找来陈毅等人，连夜召开作战会议，制定围歼国军“五大主力之首”的整编第74师计划，并决定于13日黄昏发起进攻。
同时，整编第74师在整编第83、25师的掩护下，到达黄鹿寨、旧寨等地，被我军第9纵队击退。13日上午，敌军三个师再次发起进攻。我军奋力抵抗，成功将敌军击退。当晚，华东野战军第1、第8纵队以一部兵力，正面阻击整编第74师。主力则向其两翼推进，攻占了尧山、天马山等多个要点，切断了整编第74师与整编第25师的联系，歼灭了整编第25师一部，导致该师大部缩回桃墟。
接着，我军第8纵队主力攻下多个要点，切断了整编第74师与第83师的联系。至此，整编第74师孤立无援。该师前沿据点遭到攻击时，张灵甫仍准备在14日执行攻占坦埠的计划。14日早上10点，他得知天马山、马牧池等地失手后，预感到自己的部队会被围歼，当即下令部队向孟良崮，垛庄方向撤退，并阻止一部分兵力反击。
华东野战军发现敌人撤退，立即乘胜追击。在我军各纵队的努力下，截断了整编第74师的退路，在芦山、孟良崮地形成包围圈，敌军插翅难逃。整编第74师被包围的消息，让敌军高层非常震惊，但又觉得该师作战力强，如果增派援军，第74师有可能反败为胜。于是，老蒋命令张灵甫在原地等待援军，牵制华野战军的主力，命令整编第11师、第65师等9个师前去增援。敌军企图用十个师的兵力，消灭华东野战军主力。
此时，我军的情况十分危急，如果不能在短时间内消灭第74师，那么部队会陷入敌军的包围中。指挥部的陈毅等领导人立即命令各部，一定要在敌军的援兵到来之前，歼灭第74师。15日早上，第74师被围困在以孟良崮为核心的几个山头上。
下午一点，我军发起总攻，各部队从四面八方突击敌人。敌军负隅顽抗，双方激战一天后，第74师被全部歼灭，敌军主帅张灵甫被击毙。此战役，便是著名的一举扭转华东战局的孟良崮战役。
战后，在1.5平方公里的土地上，有数万尸体。据统计，敌军伤亡加被俘虏的人数为32680人，而我军2043人牺牲，9000多人负伤。孟良崮战役是一场腹背受敌的战役，如果失败了，等待华东野战军的只有死亡。好在最终我军打赢了这次硬仗，陈毅在战后感叹说：“为了歼灭第74师，我三天没睡，脑子都要炸掉了！”可见我军能获得胜利，也是来之不易。
孟良崮战役基本粉碎了敌军对山东解放区的重点进攻，打击了敌军的嚣张气焰，因为整编第74师是他们的王牌军队。同时，鼓舞了我军的士气，是解放战争由战略防御转为战略进攻的重要转折点！