战机稍纵即逝。栗裕立即把他的想法向陈毅汇报。陈毅当即表示赞同：“好！我们就是要有于百万军中取上将首级的气概！”
陈、粟决定，以5个纵队担任主攻，4个纵队阻击援敌，歼灭整编第七十四师于坦埠以南、孟良崮以北地区，特种兵纵队配属主攻部队作战。随即作出周密的作战部署，立即组织实施，派参谋分头追赶已经出发的部队，下令部队就地停止待命，各纵队首长到指挥部受领新的作战任务；又派参谋处长向已到南线的谭震林转告陈、粟的决定，请他就近向第二、第七两个纵队传达并作出部署。
如何对待这个突如其来的重大改变，对于各级指挥员都是一个严峻的考验。开始虽然有的指挥员不能理解，但是很快就取得了一致认识，大家坚决拥护和执行陈、粟的决定。这说明，华野全军上下作战指导思想的一致和对陈、粟决策指挥的信任。
5月12日，毛泽东为中央军委起草致陈毅、粟裕的电报，指示：“敌五军、十一师、七十四师均已前进。你们须聚精会神选择比较好打之一路，不失时机发起歼击。究打何路最好，由你们当机决策，立付施行，我们不遥制。”（《毛泽东军事文集》第四卷，军事科学出版社、中央文献出版社，1993年12月，第1版，第70页。）
中央军委授予陈、粟“当机决策”的权力，体现了毛泽东、中央军委对陈毅、粟裕的充分信任，为争取孟良崮战役的胜利创造了必不可少的条件。“我们不遥制”，体现了毛泽东的指挥风格。熟悉中国历史的毛泽东，深知“将在军，不从中制”的道理，主张在保证全军指挥集中统一的前提下，给前线指挥员以临机专断的权力，反对“锋镝交于原野而决策于九重之中，机会变于斯须而定计于千里之外”。他认为宋太祖遣将用兵而“遥制方略”、前线将领指挥作战“咸听成旨”，是一种用兵“弊法”，往往贻误战机，导致“覆师丧旅”。
5月13日，陈、粟发电报给中央军委并刘伯承、邓小平，报告围歼第七十四师的决心和计划：“（甲）七十四师真[11]日开始向坦埠进攻，八十三师在青驼寺以北跟进，二十五师在蒙阴东南为其左翼部队，桂顽则在临沂东北汤头、葛沟。（乙）我们今晚集结一、四与八、九纵向七十四师出击，于明晨完成包围。战斗约需两三天。待歼灭七十四师后，再视机扩张战果。”第二天就接到中央军委复电：“以一、四、八、九纵歼击七十四师极为正确”。（《毛泽东军事文集》第四卷，军事科学出版社、中央文献出版社，1993年12月，第1版，第73页。）
孟良崮位于蒙阴东南60公里的芦山山区顶峰，海拔500余公尺。沂蒙山区的山峰生得古怪，四周陡峭，形同圆柱，顶端平坦，可以种田，当地人称之为崮。崮崮相连，据说有72崮。张灵甫的整编第七十四师据守在芦山、孟良崮、大崮顶几个山头、几条山谷里。
孟良崮战役，按照预定计划，于5月13日黄昏发起。粟裕到前线指挥作战，把他的指挥所设在坦埠以西艾山脚下的岩洞里。当地群众称这个石洞为“老君洞”，战后改名为“将军洞”。从这里向南，直到孟良崮，是一片开阔的山间平地，也是华野正面阻击蒋军的战场。站在艾山南麓，可以用望远镜直接观察战场情况。粟裕对这个地方很满意，说：“好！指挥所就设在这里。”随后，就爬到山头观察一个多小时，又到前沿视察了第九纵队的炮兵阵地。回到指挥所，看到警卫员正准备去村里借门板搭床铺，粟裕坚决不准，说：“门板是给老乡守家的，你把它借来，他们怎么关门呢？买点高粱秸子，铺在沙子上，就可以睡觉。这是打仗，不是安家。”
粟裕认为，实现战役决心的第一个关键问题，是隐蔽我军意图，达到对整编第七十四师的合围。为此，他采取了一系列措施。
一令第四、第九两纵队全力抗击向坦埠进攻的整编第七十四师，堵住他的前进道路。
二令第六纵队协同第一纵队抢占孟良崮西南的垛庄，切断整编第七十四师退路。
三令第一、第八两纵队分别以小部队向敌左右两翼整编第二十五师和整编第八十三师发起攻击，使敌人一时无法判明我军矛头所向而无暇他顾，主力则乘机向纵深猛插，隔断整编第七十四师与左右两翼的联系。
四令第二、第七、第三、第十4个纵队分别在敌人左右两翼外围阻击敌人援军。
华野各个纵队都出色地完成了自己的任务。从13日黄昏到14日上午，就大体形成对整编第七十四师的包围态势。15日拂晓，由鲁南北上的第六纵队在第一纵队协同下攻占垛庄，第八纵队攻占万泉山，最后封闭合围口，完成了对整编第七十四师的包围。
10天以前，当第六纵队奉命在鲁南隐蔽待机的时候，第六纵队司令员王必成提出的惟一要求就是：“打七十四师，绝对不要忘了六纵！”
整编第七十四师是第六纵队的老对手、死对头。第六纵队在第二次涟水战役中与整编第七十四师交锋，吃了亏。广大指战员愤恨难平，发誓有机会一定要吃掉它。
宿北战役以后，粟裕在行军途中遇到六纵宣教部长吴强，关切地询问六纵部队情况。吴强告诉他：“这一回没能把七十四师吃掉，反而让他占了上风，部队上上下下都很懊恼、气愤。”
粟裕说：“告诉大家，七十四师、张灵甫逃不掉，总是要把他吃掉的！仗打得不痛快，吃了亏，受了损失，情绪不稳定，是很自然的，要多做思想工作。”
“什么时候再打七十四师？”吴强以为很快就要发起打七十四师的新战役，焦急地问。
“现在条件还不成熟。”粟裕十分理解部队急于求战的心情，对吴强说：“再打七十四师，少不了你们六纵的份。”
这一次，王必成又担心错过打七十四师的机会。粟裕立即给他一个满意的答复：“你放心，打七十四师一定少不了你们六纵。到时候，你不想打也得打。”
在制定孟良崮战役计划时，粟裕特别提醒起草作战命令的参谋处：不要忘记六纵。
在孟良崮战役即将打响的时候，六纵指战员听到北进敌军的炮声越来越远，北上参战的命令却不见到来，有些人沉不住气了，怪话也出来了：
“把我们忘了，把我们扔在鲁南吃闲饭！”
“我们只能吃豆腐，嚼烂葡萄，啃不了硬骨头！”
他们不知道，粟裕已经给他们安排了一个艰巨的作战任务：切断七十四师的退路。
5月12日16时，一份陈、粟签署的电报发到王必成手中，命令六纵昼夜兼程，北上参战，以48小时120公里的急行军，抢占沂蒙公路上的重镇垛庄，切断七十四师的惟一退路，参加围歼七十四师的战斗。
以“虎将”著称的王必成，接到命令，立即率领六纵指战员两万多人以一日一夜130公里的急行军，飞兵疾进。到14日凌晨，先头部队提前8小时到达垛庄以南，15日凌晨就在第一纵队协助下攻占垛庄，犹如神兵天降，全歼守敌一个战斗辎重连。汤恩伯指令张灵甫派重兵死守垛庄，保护通路。可是，等到张灵甫派出的部队赶到，垛庄已经被华野部队攻占1小时。张灵甫不得不丢掉他的美制重炮和其他现代化装备，收兵退缩孟良崮、芦山地区，企图负隅顽抗，等待援军到来。
六纵指战员回想起粟裕的谈话，无不为他的神机妙算而心悦减服。他们说：“把我们放在鲁南，原来是一着妙棋。”“说打七十四师少不了六纵的份，就是没有少了我们六纵的份。粟司令可是个说话算活的有心人。”
粟裕总结孟良崮战役的经验，指出“动用隐伏于鲁南的六纵队是关键的一着”。他说：“在战役指挥中，设想可能出现的情况，走第一步就预想到第二步，有时要巧妙地预留伏笔，是灵活用兵的重要一着。此次我军诱敌深入，而又预伏第六纵队于鲁南待机，这着棋一旦动起来，全盘就活了。”
华野敢于围歼整编第七十四师，完全出乎国民党军意料。华野完成对整编第七十四师的合围以后，出现了不同寻常的战场态势：华野以5个纵队包围着整编第七十四师，国民党军又以10个整编师（军）包围着华野。蒋介石利令智昏，错误地判断这是“歼灭共匪完成革命惟一良机”，一面令整编第七十四师据险固守，吸引华野，一面令第五军、整编第十一师、整编第六十五师、整编第二十五师、整编第八十三师、第七军、整编第四十八师各部火速向整编第七十四师靠拢，又令整编第六十四师、整编第二十师、整编第九师赶赴垛庄、青驼寺、蒙阴增援，企图内外夹击，与华东野战军决战。
粟裕分析战场态势，认为此时战役指挥的关键问题，一个是能否迅速解决围歼整编第七十四师的战斗，一个是能否挡住敌人的援军。他要求各级指挥员都到第一线督战，作战形式主要转入阵地战。
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