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1947年3月起，國民黨軍放棄對解放區的全面進攻，縮短戰線，集中兵力對陝北和山東實施重點進攻，企圖首先佔領這兩個地區。在山東戰場，由陸軍總司令顧祝同在徐州設立司令部統一指揮，集中24個整編師編成3個機動兵團，採取加強縱深、密集靠攏、穩紮穩打、逐步推進的戰法，由南向北向魯中山區推進。其中，第1兵團8個整編師共20個旅20萬人由司令官湯恩伯指揮，是進攻的主要集團。該兵團企圖首先佔領沂水、坦埠一線，爾後與第2、第3兵團通力向北、向東進攻，迫使華東野戰軍主力決戰或北渡黃河。第2“綏靖”區5個軍部署在膠濟鐵路（青島―濟南）和津浦鐵路（天津―浦口）泰安以北地區，策應3個兵團作戰；第3“綏靖”區2個整編師在嶧縣（今棗莊市嶧城區）、棗莊為二線部隊。
3月下旬～4月中旬，國民黨軍打通了津浦鐵路徐州至濟南段，佔領了魯南解放區，接著向魯中山區進攻。在國民黨軍發起進攻的一個多月時間內，華東野戰軍積極尋找戰機。但由於國民黨軍接受了以往屢遭殲滅的教訓，改變了戰法，兵力集中，行動謹慎。華東野戰軍除4月下旬在泰安殲其整編第72師主力外，幾次決心均未實現。
針對上述情況，中共中央軍委於5月4日指示：“敵軍密集不好打，忍耐待機，處置甚妥。只要有耐心，總有殲敵機會。”5月6日又指示：“第一不要性急，第二不要分兵，只要主力在手，總有殲敵機會。”據此，華東野戰軍司令員兼政治委員陳毅、副司令員粟裕於5月上旬調整部署，將主力後撤至萊蕪、新泰以東地區隱蔽待機；並以準備南下華中的第2、第7縱隊隱蔽集結於莒縣地區，以進入魯南的第6縱隊隱蔽在平邑附近地區，待機配合主力作戰。國民黨政府主席蔣介石和顧祝同以為華東野戰軍後撤是攻勢疲憊，無力決戰，遂於5月10日下令3個兵團放膽向博山、沂水一線疾進。右翼第1兵團改變原定的穩紮穩打戰法，不待第2、第3兵團統一行動，即以整編第74師為骨幹，在整編第25、第83師的配合下，於5月11日自垛莊、桃墟地區進攻坦埠，企圖乘隙佔領沂水至蒙陰公路；另以第7軍及整編第48、第65師在左右兩側擔任掩護。
5月11日，陳毅、粟裕等獲悉第7軍、整編第48師由河陽出動，先頭部隊已佔苗家曲、界湖，正向沂水進犯，較為暴露，準備首先殲滅該敵並視機求殲援敵。作戰命令下達後，又查明湯恩伯兵團的行動計劃及整編第74師正向坦埠推進，認為先殲滅整編第74師更為有利。因為整編第74師下轄第51、第57、第58旅，全部美械裝備，經過美軍訓練，號稱“五大主力”之一，殲滅該師將震撼敵軍，沮喪其士氣；該師處於較突出地位，與左右鄰之間空隙較大，便於分割圍殲；師長張靈甫自恃作戰有功，驕橫跋扈，與其他部隊矛盾較深，如圍殲該部，其他部隊不會積極援助；蒙陰、沂水地區多為岩石山區，地形複雜，便於華東野戰軍隱蔽集結和尋隙穿插；華東野戰軍主力位於該師進攻正面，不需要作大的調動就可出其不意地迅速集中5倍於該師的兵力加以圍殲。
陳毅、粟裕等遂毅然改變決心，決定採取“猛虎掏心”戰法，於12日晨作出了在敵重兵集團密集靠攏的態勢下，從其戰線中央割殲整編第74師的部署：以第1、第4、第6、第8、第9縱隊和特種兵縱隊擔任主攻；以第2、第3、第7、第10縱隊擔任阻援；另以地方武裝牽制各路援敵和在臨沂及臨泰公路沿線敵之後方襲擾與破壞。
5月11～13日，整編第74師在整編第83、第25師掩護下自垛莊北進，先後佔領楊家寨、佛山角、馬牧池等地，準備14日攻佔坦埠。
13日晚，華東野戰軍擔任迂迴穿插任務的第1、第8縱隊以一部兵力在整編第74師正面實施阻擊，主力從其兩翼尋隙向縱深推進。第1縱隊第3師攻佔曹莊及其以北高地，逼近蒙陰，構成對外正面阻擊整編第65師；縱隊主力攻佔黃鬥頂山、堯山、天馬山、界牌等要點，割斷了整編第74師與整編第25師的聯絡，並殲整編第25師一部，該師大部縮回桃墟。第8縱隊主力攻佔桃花山、磊石山、鼻子山等要點，割斷了整編第74師與整編第83師的聯絡；一部佔領孟良崮東南的橫山、老貓窩。同時，第4、第9縱隊從正面發起攻擊，佔領黃鹿寨、佛山及馬牧池、隋家店一線，扼制了整編第74師的進攻。位於魯南敵後的第6縱隊由銅石地區急速北上，於14日晨抵達垛莊西南觀上、白埠地區。
13日晚，整編第74師前沿據點遭到攻擊時，張靈甫仍準備於14日執行攻佔坦埠的計劃。當14日得知天馬山、馬牧池、磊石山等地失守後，預感到有被圍殲的危險，即倉促向孟良崮、垛莊方向撤退，並組織一部兵力進行反擊。華東野戰軍發現整編第74師南撤，立即乘勝猛攻。擔任正面攻擊的第4、第9縱隊經徹夜攻擊，進佔唐家峪子、趙家城子一線；第6縱隊在第1縱隊一部協同下，於15日拂曉攻佔垛莊，截斷了整編第74師的退路；第8縱隊攻佔萬泉山，同第1、第6縱隊打通了聯絡，在蘆山、孟良崮地區形成了對整編第74師的四面包圍。整編第74師被包圍，蔣介石、顧祝同雖感吃驚，但認為該師戰鬥力強，所處地形有利，已控制制高點，必能堅守；如左右鄰加速增援，可造成與華東野戰軍主力決戰的機會。
因此，除令整編第74師固守待援，牽制華東野戰軍主力外，嚴令新泰的整編第11師、蒙陰的整編第65師、桃墟的整編第25師、青駝寺的整編第83師以及河陽、湯頭的第7軍、整編第48師等部迅速向整編第74師靠攏；並調第5軍自萊蕪南下，整編第20師自大汶口向蒙陰前進，企圖用10個整編師的兵力在蒙陰、青駝寺地區殲滅華東野戰軍主力。張靈甫也認為建制尚完整，部隊戰鬥力強，居於戰線中央，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，且多數已距孟良崮僅一兩天路程，有的只有十幾千米，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。為此，於15日令阻援部隊堅決阻擊各路援敵，令主攻部隊不惜代價加速猛攻，一定要在援敵趕到之前迅速殲滅整編第74師。各部隊積極開展戰場鼓動工作。指戰員雖連日苦戰，飢餓疲勞，但戰鬥情緒極為高昂。
15日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。每一陣地均經反覆爭奪，有的陣地得而復失，幾次易手。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，華東野戰軍指戰員擠滿了各個山頭，以為整編第74師已被全殲，但在核算俘虜人數時，發現殲敵數與該師編制數相差萬餘人。各部隊隨即嚴密搜尋，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。
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，有的進至距孟良崮5千米處，炮彈已能打到孟良崮，但由於遇到頑強阻擊，不僅未能挽救整編第74師，而且遭到重大傷亡。魯中地區人民群眾在國民黨軍進攻時，實行空舍清野，使其無法得到糧草和情報；當華東野戰軍出擊時，紛紛返回家鄉，做飯燒水，支援作戰，並組織20萬民工支前，為戰役勝利作出了貢獻。
這一勝利，粉碎了國民黨軍的“魯中決戰”計劃，對挫敗國民黨軍對山東解放區的重點進攻具有決定性意義，有力地配合了陝北和其他戰場的作戰，孟良崮戰役勝利的意義，正如當時新華社所評述的：打擊了蔣介石最強大的進攻方向；打擊了蔣介石最精銳的部隊。這一打擊又出現於解放區舉行全面進攻的前夕，因而，具有特殊重大的影響。整編七十四師被殲後，蔣介石在驚呼“這是我軍剿匪以來，最可痛心、最可惋惜的一件事”的同時，立即下令暫停對山東解放區的進攻，並召集進攻山東和豫北解放區的主要將領到南京，檢討沂蒙山戰事的經驗教訓，重新決定戰略和戰術。
濟南是津浦、膠濟兩鐵路的交會點和連線華東、華北地區的樞紐，城防堅固，被國民黨軍隊自詡為“金城湯池”。自人民解放軍攻克淄川（今屬淄博市）、周村（今屬淄博市）、濰縣及泰安、兗州後，濟南已處在解放軍的重重包圍之中。蔣介石為了屏障徐州，隔斷華東、華北解放區的聯絡，並牽制華東野戰軍不能全力南進，拒絕美國軍事顧問團關於“退出濟南，把軍隊撤至徐州”的建議，決定以10萬餘重兵守備濟南，並以徐州3個兵團17萬人準備北援，力圖確保濟南。根據中央軍委指示的作戰方略，華東野戰軍以14萬人組成攻城集團，以18萬人組成阻援、打援集團，於1948年9月16日對濟南發起全線攻擊。經過八晝夜激烈的攻堅作戰，9月24日攻克濟南，爭取吳化文部2萬人起義，合計共殲守敵萬餘人，生俘國民黨第二綏靖區司令官王耀武。戰役發起後，由徐州北援的國民黨軍徐州“剿總”劉峙所部主力3個兵團，因懼怕被殲，未敢繼續北進。濟南攻克後，菏澤、臨沂、煙臺等地的國民黨軍隊紛紛棄城逃竄。至此，山東除青島及少資料點外，全獲解放，從而使華北、華東兩大解放區完全連成一片，併為解放軍南下殲滅徐州地區的國民黨軍隊創造了有利條件。濟南戰役是人民解放軍攻克敵人重點設防的大城市的開始，也是蔣介石以大城市為主的“重點防禦”體系總崩潰的開始。