發生經過：

5月13日下午七時開始，華東野戰軍集中9個主力縱隊共20萬兵力，其中四個縱隊阻擋在山東的約40萬國軍的反包圍，另外5個縱隊圍攻整編74師。在南京的國民政府總裁蔣中正認為74師佔據地形優勢，裝備精良，加上在外圍國軍兵力雄厚，遂命令74師堅守待援，等外圍國軍對解放軍反包圍之後再「中心開花」。當時國民黨至少有40多萬軍隊在孟良崮周圍一百公里範圍內，按照正常行軍速度一天之內都可以到達救援，而以74師的訓練、裝備固守一、二天應無問題。

沒想到11師師長胡璉距離太遠支援不及。25師師長黃百韜困於覆浮山、天馬山，損失萬餘人。桂系的第7軍，整編48師等也消極救援。近在咫尺的83師師長李天霞和張靈甫有宿怨，雖然早在5月11日之前就接到掩護74師的命令，卻只在戰前派了19旅57團下的一個連攜帶電台接近74師冒充是執行掩護的19旅，並命令最靠近74師的57團團長羅文浪可以隨時撤退。57團是83師中裝備最差的部分，但是羅文浪為了免做戰後李天霞的替罪羊，最後仍然與74師會合。

5月16日早上，蔣中正意識到局勢危險，再下手令：「山東共匪主力今向我傾巢出犯，此為我軍殲滅共匪完成革命唯一之良機。凡我全體將士應竭盡全力，把握此一戰機，萬眾一心，共同一致，密切聯繫，協力邁進，齊向當面匪軍猛攻，務期殲滅共匪，以告慰總理及陣亡將士在天之靈。如有萎靡猶豫，梭巡不前或赴援不力，中途停頓，以致友軍危亡，致共匪漏網逃脫，定必以畏匪避戰，縱匪害國延誤戰局，嚴究論罪不貸！希望奮勉勿誤。」至此包括李天霞八十三師在內的各部隊都不敢再保存實力，全力突破解放軍防線，但是遇到了解放軍外圍阻擊的抵抗，最終不能及時趕到孟良崮。

5月16日下午三時，華東野戰軍完全攻佔孟良崮主峰，整編74師血戰三晝夜後被殲滅，一萬餘人陣亡，一萬餘人被俘，張靈甫陣亡。張靈甫在陣亡前有遺書：「十餘萬之匪向我猛撲，今日戰況更趨惡化，彈盡援絕，水糧俱無。我與仁傑決戰至最後一彈，飲訣成仁，上報國家與領袖，下答人民與部屬。老父來京未見，痛極！望善待之。幼子望養育之。玉玲吾妻，今永訣矣！ 靈甫絕筆 五月十六日 孟良崮」

歷史影響：

孟良崮戰役意義重大。整編第74師作為國軍五大主力之首，自內戰以來一向是華東戰場國軍之中堅，於淮北、睢泗、兩淮、漣水等戰役中攻無不克，屢立戰功。此戰全軍覆滅，對國軍士氣打擊極大。整編第74師戰敗覆滅，發生在全面內戰爆發後不到一年，國軍尚居於進攻地位，並且華東國軍總兵力仍居絕對優勢的情況下，因此其結果就尤為震撼。相比之下，五大主力之其餘四支，均在孟良崮戰役又過了一年多後的戰略決戰階段，在國軍總體已處頹勢的情勢下才次第覆沒。

相比之下，通過此役華東野戰軍實力大增，還裝備了重炮兵與工兵，基本具備了與國軍決戰的實力，在一年之後的徐蚌會戰中顯示威力。