張靈甫清點後發現建制尚完整，部隊戰鬥力意識很強，按照計劃已經居於戰線中央，很快會得到左右鄰的積極增援，因此，一面請求空投糧彈，一面調整部署，固守待援。
華東野戰軍指揮部鑑於蔣介石調動10個整編師的兵力來援，且多數已距盂良崮僅一至兩天路程，有的只有十幾公里，情況十分緊急，如不能在短時間內殲滅整編第74師，將陷入10個整編師的圍攻之中。
爲此，於15日令阻援部隊堅決阻擊各路援赦，令主攻部隊不惜代價加速猛攻，一定要在援赦趕到之前迅速殲滅整編第74師。
5月15日晨，整74師被圍困於孟良崮爲核心的幾個山頭上，主要是520、東西540、600、610高地，及蘆山、雕窩等地。13時，華東野戰軍發起總攻，各部隊從四面八方多路突擊，整編第74師竭力頑抗。
激戰至16日上午，華東野戰軍攻佔雕窩、蘆山，整編第74師主陣地全部丟失。下午天陰雲低，能見度很差，華東野戰軍以爲整編第74師已被全殲，但在覈算俘虜人數時，發現殲敵數與該師編制數相差萬餘人。
部隊隨即嚴密搜索，終將整編第74師及整編第83師1個團餘部全殲，擊斃張靈甫 。
16日16時半戰鬥結束時，華東野戰軍發現敵電臺在活動，粟裕命令第4、第8、第9縱隊對孟良崮、雕窩間的山谷進行搜索。至18時，共搜出匿敵7000餘人。
在華東野戰軍主力圍殲整編第74師過程中，擔任阻援任務的第2、第3、第7、第10縱隊及魯南、濱海等軍區部隊，積極牽制和阻擊各路援敵。國民黨軍各路援軍，在蔣介石、顧祝同的再三嚴令下雖拼力前進，有的進至距盂良崮5公里處，炮彈已能打到孟良崮，但由於遇到共軍阻擊，不僅未能挽救整編第74師，而且遭到重大傷亡。
此役，華東野戰軍殲滅國民黨軍整編第74師及附屬第83師一個團，共計32680人，其中俘虜19680人。孟良崮戰役中整編74 師這一"王牌"軍被毀，沉重打擊了國民黨的囂張氣焰，基本粉碎了國民黨對山東解放區的重點進攻。創造了在敵重兵集團密集並進的情況下，從其戰線中央割殲進攻主力的奇蹟。
此役的勝利，不僅在心理上極大地震撼了國民黨軍隊，也打亂了國民黨軍隊在山東的重點攻擊部署。他們不得不對戰役計劃作新的調整。重新發起的攻勢已沒有了初期的強勁勢頭。
號稱天下第一師74師全軍覆沒，愛將張靈甫被擊斃，精心炮製的“中心開花”計劃卻令自己損兵折將。蔣介石十分惱火，一方面爲張靈甫及軍官們舉行了盛大的追悼儀式，另一方面下令要嚴肅追究那些孟良崮戰場上指揮作戰不力和救援整編七十四師不力的將領們，以泄其心中的怨恨。
首當其衝的就是國民黨陸軍總司令顧祝同，他是江蘇漣水人，畢業於保定陸軍軍官學院，以忠心見用於蔣介石，既是蔣介石五虎上將，又是蔣介石的八大金剛。
孟良崮戰役後，蔣介石曾在日記中憤恨地寫到：“魯中軍務（指孟良崮戰役），因顧墨三（顧祝同字墨三）之無知妄作，致餘之意圖與計劃，遭受挫敗，且使七十四師陷於覆沒，思之殊憤恨無已也！”
下令將顧祝同撤職查辦，但顧祝同畢竟是蔣介石親信，不久就又調任國防部參謀總長。
第二個受到蔣介石懲處的是湯恩伯，他是浙江金華人（和蔣介石是浙江老鄉），黃埔系骨幹將領，在孟良崮戰役期間擔任第一兵團司令，是張靈甫的上級直接領導。
蔣介石認爲湯恩伯不待第二兵團、第三兵團統一行動，就貿然命令張靈甫率領整編七十四師由駐地垛莊北進，埋下了整編七十四師全軍覆沒的禍根。蔣介石下令將湯恩伯撤職查辦，據說還當着衆人的面用手杖責打湯恩伯（打得頭破血流），但湯恩伯作爲蔣介石的心腹，不久之後就復出擔任陸軍代總司令、京滬警備總司令等職務。
再看看前線增援部隊將領，當時離孟良崮最近的兩位將領分別爲李天霞，黃百韜。
李天霞是上海寶山人，畢業於黃埔三期，算是一位老牌戰將，在孟良崮戰役期間擔任整編八十三師師長，負責掩護張靈甫的右翼。據說李天霞不全力救張靈甫，因他們爲了爭奪74軍軍長職位，而產生的矛盾，其實在74軍中，論戰功，資歷，職位李天霞都比張靈甫要高，只因爲張靈甫有王耀武，俞濟時等人的支持，才當選74軍軍長。因爲有了之前的矛盾，普遍傳言李天霞在張靈甫被包圍期間見死不救，對救援命令虛與委蛇，蔣介石聽聞之後下令將李天霞就地槍決。
幸好湯恩伯及時陳述了戰場經過，李天霞才被免一死，但還是被押解到南京軍事法庭接受審判。此後，李天霞通過行賄，並以“自己也損失了一團”爲藉口申辯，最終不僅被判無罪釋放，還被授予了三等雲麾勳章，不久之後成功復出擔任第七十三軍軍長。
黃百韜是廣東梅縣人，雖然出身於雜牌軍隊，但因在戰場上賣命逐漸獲得了顧祝同的賞識，在孟良崮戰役期間擔任整編二十五師師長。黃百韜率領整編二十五師負責掩護張靈甫的左翼，在增援張靈甫過程中，他還算是比效拼命，但是遭到華野阻擊，無論黃百韜怎麼拼命前進，都無法前進一步，但是，蔣介石的愛將戰死，讓他十分傷心，俗話說得好，欲加之罪，何患無辭，加上黃百韜又是雜牌出身，自然也受到懲罰。
但是，後來在顧祝同的求情下，加上當時蔣介石急需能征善戰之將，因此黃百韜又得到重用，不過黃確實是一位悍將，在後來戰爭中，多次擊退華野，成爲粟司令最強勁的對手。
再來看看，作戰計劃的倡議者和執行者，趙繼統雖被遷怒，但只是罵了幾句了事，畢竟他只是發現自己家有共諜，提議利用一下而已。從本心說不能算錯，還有蔣經國在一旁說情，罵幾句也就算了。
毛人鳳被打的比湯恩伯還狠，在老蔣的心中他的能力比起戴笠來差的太多了，奈何他緊緊依靠着夫人，又不好過分苛責，只能親自動手泄憤了···
還有那個內鬼管家，在他眼皮子底下給溜走了，若不然還能將責任推給“桂系”一方···