5月15日，华野发起对整编第七十四师的总攻。围歼整编第七十四师的部队展开了剧烈的阵地攻坚战，15日晚上就把整编第七十四师压缩于东西3公里、南北2公里的狭窄山区，16日下午攻占七十四师占据的所有高地。每争夺一个山头一个高地，都要经过几次到十几次的冲锋，直到刺刀见红，战斗的激烈程度为解放战争以来所少见。
与此同时，华野阻援部队则展开了艰苦的阵地防御战，挡住了敌人一波又一波的冲击，把敌人的各路援军阻止、钳制在华野包围圈以外。蒋军整编第二十五师、整编第八十三师虽然与整编第七十四师相隔只有5公里左右路程，炮火已能打到孟良崮，其余援敌8个整编师（军）距整编第七十四师也只有1日至2日行程，但在华野部队的顽强阻击下，眼看着整编第七十四师被围歼，而不能越雷池一步。
正当蒋介石一再严令增援、张灵甫频频呼救的时候，华野各部已会师于孟良崮、芦山顶峰。第六纵队特务团团长带领突击队冲到张灵甫负隅顽抗的山洞，一举歼灭隐藏在山洞里的整编第七十四师指挥所，击毙骄狂不可一世的张灵甫。
5月16日下午，孟良崮战役接近尾声。参战部队纷纷向前线指挥所汇报战果，有的部队开始打扫战场、收拢部队。这时天气突变，山雨欲来，阴云密布，能见度低。各部报告的战果，只抓到几百名俘虏。华野情报处长报告，通过技术侦察发现，敌人还有电台在联络求援。这些情况引起了粟裕的警觉。
作战科长拿来向中央军委报捷的电报稿。粟裕摆手示意，报捷电报缓发，同时指示：“命令各部队重新汇报战果，歼俘敌人的数字要力求准确无误。命令各部队继续搜查，不可放松警惕，特别是比较隐蔽的山沟更要仔细搜查。没有命令，不许停止。”
看到大家迷惑不解，粟裕解释说：“兵法上有穷寇勿追，是说狗急了要跳墙，弄不好会被反咬一口。我们主张打歼灭战，硬是要追穷寇，不论这只狗发疯也好，跳墙也好，都必须把它确确实实地打死才行。我把各部队上报的歼敌数字与七十四师编制数字反复核对，还差7000人左右。7000人不是个小数目，弄不好会给我们带来不必要的损失。”
参谋处根据各部队清查后的战果统计，并与整编第七十四师编制人数核对，发现各部队上报歼敌总数2.5万余人，与整编第七十四师应有人数3.6万余人相比，还少七八千人。
粟裕当机立断，命令各纵队组织轻装部队，严密搜索。果然在孟良崮、雕窝之间的山谷里发现集结有7000多敌军，正准备突围。粟裕命令第七、第八、第九3个纵队立即出动兜剿。各纵队指战员不顾疲劳，英勇奋战，全歼残敌，无一漏网。至此，蒋介石的“王牌军”整编第七十四师被华东野战军全部、干净、彻底消灭，孟良崮战役胜利结束。
捷报传来，全军振奋，欢声如雷。指战员们纷纷称赞粟裕料敌如神的谋略和高人一筹的指挥。陈毅紧紧握住粟裕的手说：“老伙计，这个仗，你硬是越打越神了！”
在围歼整编第七十四师的紧张战斗中，陈毅和粟裕密切合作、互相支持，给华野指挥部的同志留下了深刻的印象。有一次，粟裕与一位纵队指挥员通话，发生了“故障”，这位指挥员以部队伤亡太大为由讨价还价。粟裕对他说：“好了，现在陈司令同你讲话。”陈毅一面走向电话机，一面间接电话的是哪一位，拿过话筒就说：“你现在在哪里？你们几个师长到了什么地方？”对方回答后，陈毅查看了一下地图，接着说：“你们几个师长都要到山顶去。刚才粟裕同志讲的，就是我的意见，你们要坚决执行。部队伤亡大一些，不要紧，我手里还有预备兵力，你伤亡多少，我给你补充多少。”电话里的对方平静了。
从莱芜战役到孟良崮战役，粟裕脑力、体力消耗很大，身体日见消瘦，由高血压引起的头痛症时常发作，不得不戴着一种铝制的健脑器坚持工作，在与敌人进行激烈搏斗的同时，还要同疾病进行顽强的斗争。在孟良崮战役中，连续几天几夜不休息，脸胀得通红。战后测量血压，血压竟然达到220度。
孟良崮战役的胜利，对国民党反动派是最沉重的一击，对解放区军民是极大的鼓舞，严重顿挫了蒋介石对山东的重点进攻，迅速改变了山东战局，并且推动全国战局向有利于人民的方向发展。
5月22日，毛泽东为中央军委起草的电报指出：“歼灭七十四师，付出代价较多，但意义极大，证明在现地区作战，只要不性急，不分兵，是能够用各个歼击方法打破敌人进攻，取得决定胜利”。（《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81页。）同一天，延安新华社发表时评说：“华东人民解放军和华东解放区的人民，在全中国人民的爱国自卫战争中，担负的任务最严重，得到的成就也最荣耀”。“这次蒙阴胜利在华东人民解放军的历史上更有特殊意义，因为：第一，这是打击了蒋介石今天最强大的和几乎惟一的进攻方向；第二，这是打击了蒋介石的最精锐部队（四五个精锐师之一个）；第三，这个打击是出现于全解放区全面反攻的前夜”。“蒋介石以近一百个旅使用于华东战场，欲以此决定两军胜负。这个主观幻想业已接近于最后破灭”。
整编第七十四师是蒋介石多次嘉奖的“模范军”，也是王耀武赖以起家的部队。“跛子将军”张灵甫是蒋介石的心腹爱将，死时只有43岁。蒋介石痛心疾首，哀叹整编第七十四师全军覆没是“空前的大损失”，是“剿匪以来最可痛心最可惋惜的一件大事”，“必须等到我们全军一番起死回生的改造之后，乃能作进一步的打算”。王耀武则哀鸣：“七十四师之失，有如丧父之痛”。战后，蒋介石故技重演，将第一兵团司令官汤恩伯撤职，整编第八十三师师长李天霞交付军事法庭审判。
孟良崮战役是粟裕军事生涯中的得意之笔。这次战役的决策和指挥，鲜明地表现了他谋略思想和指挥艺术的独特风格，反映了他反常用兵、出奇制胜的创造精神。他自觉地运用唯物辩证法于作战指导，在尊重客观规律的基础上，高度发挥人的自觉能动性，敢于和善于适时把战局推向新水平，开创了人民解放军在敌人重兵集团中割歼强敌的范例，是战役指挥艺术上的重大突破。
粟裕总结孟良崮战役的经验，指出：“孟良崮战役是解放战争以来我军与蒋军在华东战场上一次正面的大规模的较量，表明了我军的作战指导、指挥艺术、战术技术和军队士气都大大高于敌人。孟良崮战役还使我体会到，作为战区指挥员，应不断地研究、分析敌我力量的对比变化，发挥主观能动作用，敢于适时地把战局推向新的水平，而不能坐待条件完全成熟。到了应该把战争推向一个新的高峰时，指挥员看不出来，不敢下决心，就不可能推进胜利的进程。从孟良崮战役到豫东战役，再到淮海战役，都使我体会到这一点。”
1947年5月，人们期盼的胜利的春天终于到来了。沂蒙山区，峰峦起伏，山花烂漫，一片大好风光，人们又唱起了富有地方特色的山歌。
人人那个都说哎沂蒙山好，
沂蒙那个山区哎好风光。
青山那个绿水哎多好看，
风吹那个草低哎见牛羊。
……
从莱芜战役到孟良崮战役，华东野战军接连粉碎敌人两次重兵进攻，取得一个“空前大捷”超过一个“空前大捷”的胜利，创造了古今中外战争史上的奇迹，也给悠久的山东历史添加了光辉的一页。
山东，古属齐鲁两国，在战争史上占有特别荣耀的地位。特别是在军事思想活跃、军事人才辈出的春秋战国时代，举世公认的“兵圣”孙武和被毛泽东称为“千古高手”的孙膑就出生当时的齐国境内，被后人视为用兵范例的“围魏救赵”、“减灶诱敌”等著名战法也产生在这里。现在，在决定中国命运的解放战争中，陈毅、粟裕指挥的华东野战军创造了堪称现代战争楷模的崭新战法，“示形于鲁南，决胜于鲁中”，用“耍龙灯”的战法创造战机，以中央突破对付敌人的中央突破，“于百万军中取上将首级”，在中国战争史上再创辉煌，而与春秋战国时代交相辉映。担任战役指挥重任的粟裕，以其卓越的谋略思想和高超的指挥艺术，不仅为夺取沂蒙几战胜利、推进战争进程作出了独特的贡献，而且把作战指导的辩证法提高到了一个新的水平。
※第十五章 从“七月分兵”到经略中原
一、自觉服从战略全局利益的决策。“七月分兵”后的几个消耗仗。
1947年夏季，解放战争处于由战略防御转为战略进攻的关键时刻，也是华东战局由内线作战到外线出击的转折过程。南线敌我双方的较量，继续在由陕北经中原到山东的“乙”字形黄河流域展开。
蒋介石集团虽然在过去一年里军事上政治上都打了败仗，但他们在兵力数量上仍然占有优势，仍然坚持他的“黄河战略”，继续在陕北和山东两个方向上保持强有力的攻势，从而更加暴露了他哑铃式战略布局的弱点。
中共中央的战略决策是：不等敌人的重点进攻被完全粉碎，也不等我军在数量上超过敌人，就由战略防御转人战略进攻，把战争引向国民党统治区域。
中共中央撤离延安以后，毛泽东和周恩来、任弼时主持中共中央、中央军委工作，运筹于陕北窑洞之中，决胜于大河上下、长城内外，帅旗高高飘扬在陕北高原。用周恩来的话来说，是“在世界上最小的司令部里，指挥了最大的人民解放战争”。（《周恩来传》，中央文献出版社，1998年2月，第1版，第712页。）
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