而陈毅、粟裕呢?原想在运动中歼灭七十四师，却没料到张灵甫主动受围，还上了孟良崮，坚守待援。危险与战机同时产生。摆在华东野战军面前便一下子只有两种结局了：不是赶紧消灭七十四师，就是被七十四师粘往，反遭周边围过来的40多万国军的重创。战况到了这个阶段，在孟良崮，虽说华东野战军对张灵甫的七十四师握有了绝对兵力优势，但从整个山东战局来看，40多万国军却正在获得一个战机优势。
国军战败，张灵甫集体自杀
进攻张灵甫的战斗是在5月13日下午七时开始打响的。经过14、15日两天的生死激战，虽攻下了孟良崮一旁的几个小山头，但张灵甫的主力尚在顽守主峰，战斗仍进行得异常惨烈，方圆仅1.5平方公里的孟良崮，已躺下了数以万计血肉模糊的尸体。而攻山的解放军各纵队的伤亡也相当大了(此战役解放军共伤亡12000人)，并且弹药补充都出现了困难。加之，周边国军向孟良崮进发的情况，也令军心很有些紧张。因此，华东野战军总部与下属纵队有些指挥员提出：久攻不下，又是如此境况了，是否忍痛从孟良崮撒退，以保大军不落入周边国军的包围圈?
亲处前线指挥所进行指挥的粟裕，自然透彻明白当前战势的严峻：获胜与战败这两种可能，都已接近了胜负概率的临界线，此时，唯一能让战局偏向胜利或失败的因素，就是对战双方的军心了，而其中最重要的却又是指挥官们的决战信心与指挥效率。
于是，粟裕下令：任何人不得言撤退!(陈毅也宣布了追究失职者责任的“撤职、查办、杀头”的三大战场纪律)并严令各纵队务必不顾一切牺牲，限在24小时内攻上孟良崮，歼灭七十四师;各纵队伤亡多少人，战役结束后，保证给予补足建制;同时，打破解放军历来只在夜里打大仗的传统(为躲藏敌飞机、坦克)，16日白天也继续进攻，直至于16日下午三时完全攻占孟良崮主峰，击毙张灵甫(国民党方面称张灵甫自杀殉党)。
而向孟良崮进军的国军呢?"张军长"被拉一把是指望不上的. 只到16日下午七十四师被消灭、张灵甫阵亡之时，除了国军八十三师师长李天霞为着逃避蒋介石指责其援张不力，象征性的派了一个连，带着报话机躲在孟良崮附近一个山洞中，蒙骗张灵甫谎称他们“来援救”了外，整个孟良崮就再没有其他国军的影子了。张灵甫按常理推断，只要他坚守一、二天，周边国军是无论如何都能开进来的，他也的确死守了近三天。然而，可悲的是，就是他守到第三天，不说远处的国军磨磨赠赠而没有开到，就是近在咫尺(不到5公里)的“战友”八十三师与二十五师都没有赶到位，从而使解放军不仅有时间攻上孟良崮全歼七十四师主力，而且还有时间在已撤出战场后，因清点被歼的敌人人数不够32000人(七十四师兵员数)，又重返战场，再抓获躲藏的敌散兵7000余人。然后，解放军才浩浩荡荡从容撤走。
