张灵甫曾急电南京方面，要求空投粮水和弹药。可是空军胆子太小，飞行高度过高，加上七十四师的对空电台已被击毁，导致投掷极不准确，许多物资都空投到了解放军的阵地上。
七十四师官兵苦不堪言，有些军官已在私底下抱怨张灵甫不该听信幕僚建议，退守孟良崮，以至于犯下兵家大忌，重演了“马谡拒谏失街亭”的历史故事。
马谡失街亭还有撤退的机会，诸葛亮还会帮他唱空城计，张灵甫连这个机会也没有，他已经感觉到了不妙。
白天战斗结束后，有些作战参谋误认为，解放军伤亡过重，可能不会再攻了。张灵甫则知道，以粟裕和华野的作战风格，决不会善罢甘休，晚上很可能还会发起大规模进攻，他下令各旅将非战斗人员全部组织起来，并临时教授作战方法。
除了山上的五十八旅外，山下的五十一旅与师部的联系已经中断，能与张灵甫保持指挥联络的只有五十七旅。
深夜，当陈毅、粟裕给叶飞打电话时，张灵甫也亲自给五十七旅旅长陈嘘云打去电话，命令他于第二天拂晓前，将部队全部撤至孟良崮高地，末了，他说了一句：“嘘云啊，我们最后也要死在一块儿了。”
陈嘘云心里“咯噔”一下，明白七十四师已面临绝境。
陈嘘云先行上山，来到位于孟良崮山顶的师部指挥所。进入指挥所后，他看到张灵甫斜坐在地铺上，情绪很稳定，并没有明显的惊慌之色。
陈嘘云认为援军已经无望，就算他的部队撤上山来，也没什么用。不如沿山向黄百韬部突进。
没有人赞成，张灵甫亦默不作声，此议只得作罢。
陈嘘云以为，张灵甫的一条腿有残废，如果随部队突围的话，会很困难，这是张灵甫没有拍板的主要原因。
陈嘘云当时的想法是，张灵甫还是私心重了。
但其实，在5月15日白天的交战中，张灵甫已经做了突围的所有尝试，向南，向西，又向东，不仅没有任何一个方向能突出去，还遭到惨重杀伤。
陈嘘云不知道粟裕布于四周的“铁桶阵”有多么严实，张灵甫知道。
七十四师锐气尚在的时候仍无法突围，现在已经筋疲力尽，出去了更等于自己找抽，若说放弃险地，全军突进，又无异于步了莱芜战役时李仙洲的后尘。
陈嘘云太理想化了，他的话音未落，粟裕发动的第二次总攻已经开始。
1947年5月16日，凌晨1点，华野对着孟良崮又是一顿猛烈炮击，炮声惊天动地，炸得孟良崮犹如火山爆发一般。
紧接着，早已蓄势待发的各路纵队朝孟良崮蜂拥而去，整个战场杀声震天，此起彼伏。
五十七旅连撤上山的时间都没有，就被截在了山下。倘若张灵甫选择这个时候放弃阵地突围，全军崩溃将是顷刻间的事。
战斗空前激烈，七十四师全线告急，但是这次总攻并没有能达到一击而中的目的，孟良崮阵地仍在张灵甫掌握之中。
山呼谷啸
粟裕已经连续几天几夜都没有合眼，由于患有高血压和头痛症，整个人脸涨得通红，战后测量血压，竟然达到了220。
这是意志和耐力的大比拼，只要还有一口气在，就必须撑到最后。
第二次总攻开始以后，粟裕几乎每隔5分钟就会给前线打去一次电话，以询问战况，调整部署，指挥所的电话铃声因此响个不停。
随着时间一分一秒的延续，对孟良崮的攻击力度不断加大。
七十四师的防御体系以540高地为首，占领它，就可以控制整个山峰和囤积兵马的山谷，张灵甫亦知此地之重要，曾亲临高地督战。
双方都集中了远近距离的各种轻重兵器，机关枪、迫击炮、掷弹筒，武器挤着武器，向对方进行密集射击。
短兵相接处，士兵们直接抱着机枪和冲锋枪对射，子弹打光了，就把枪扔掉，互扔手榴弹和拼刺刀。
1947年5月16日，凌晨4点，经反复10次冲锋，华野终于攻克540高地，七十四师的防御体系被撕开了口子。
双方前线部队都到了疲惫不堪的地步，但这还仅仅是开了个头，没有生力军补充上来，就可能一步不能动。
粟裕把预备队派了上去。
如果说把孟良崮阵地比喻成一只狼的话，540高地是狼的脑袋，芦山则相当于狼的身体，这是孟良崮的南面屏障，也是七十四师布防的腹心区域。
芦山守军都躲在了石缝中，要靠人冲，根本接近不了，上多少，死多少。现场调度的叶飞迫不得已，把迫击炮调集过来，打了100多发炮弹，将防守的300多守军全部炸死，才得以攻入芦山。
时间停留在上午10点，又攻不动了。
继续抽调兵力，组织第三次总攻，这是粟裕唯一能做也必须做的。
前线伤亡实在太大了，当粟裕电话打过去，要某纵队全部压上时，这个纵队的司令员渐渐表现出不满情绪，说着说着，竟然还在电话里朝粟裕叫嚷起来。
声音很大，陈毅听到了。
陈毅见粟裕碰到了“障碍”，便主动走上前来接电话。
他一面走向电话机，一面问接电话的是哪一位，然后拿过话筒就问：“你现在在哪里？你们几个师长都到了什么地方？”
对方回答后，陈毅查看了一下地图：“你们几个师长都要到山顶去。怎么，还要讨价还价？刚才粟司令的意见，就是我的意见。我们是经过研究的，你们要坚决执行，不要讲什么价钱！”
对方不吭声了。
陈毅又接着说：“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。”
陈毅比粟裕会讲，恩威并施，几句话便把这个纵队的司令员给说服了，马上答应投入总攻。
1947年5月16日，下午2点，第三次总攻的号角吹响。
炮弹从四面八方飞向孟良崮山顶及七十四师仅剩的600高地，石头被炸得一块块凌空飞起，山上一片火海，血肉横飞，七十四师的战斗队形变得混乱不堪。
等到叶飞发起纵队突击，进攻部队仅用10分钟便冲上了600高地。
无粮无水又无援军的七十四师终于垮掉了。
下午3点，王必成纵队特务团突破孟良崮西侧，逼近山顶的七十四师指挥所。
张灵甫在指挥所外只有一个师警卫连，他情知大势已去，用电台发出了绝命书：“今弹尽援绝，水粮俱无，我决定……战至最后以一弹饮诀。”
下午4点，华野突破了七十四师在孟良崮的所有阵地，师指挥所亦被攻占，当时在指挥所内的张灵甫及其几个七十四师高官都“饮诀”了。
张灵甫怎么死的，却成了个谜。
按照绝命书的内容，以及国民党阵营提供的说法，应该是自杀，但华野方面则认为系击毙。
江渭清回忆说，他在把纵队特务团拉上去投入总攻时，曾专门交代一条，即尽量争取活捉张灵甫。因为华野能够截听七十四师的电台，曾听到张灵甫呼救，所以他确认张灵甫还活着，而能够活捉张灵甫，其意义之重大，不言而喻。
没有料到的是，在押送过程中，特务团的一名排长出于对七十四师的仇恨，突然对张灵甫开枪，将其打成了重伤，急忙送到野战医院急救时，已经无效死亡。
不管怎样，张灵甫是死了。一个带兵之人，能在绝境中打到战无可战，就已经算是条汉子，一定要人家自杀，那只是东方式战争伦理的过度要求。
江渭清接到特务团的报告后，很恼火，说我活要见人，死要见尸，你们马上派人把尸体抬回来，保管好。
第二天开祝捷大会，陈毅见到江渭清，第一句话就是：“张灵甫的尸体在哪里？”
陈毅下令将张灵甫的尸体擦洗干净，换上干净服装，又弄口好棺材，入殓之后，通过各种关系运回南京浦口。
陈毅是有雅量的，尽管张灵甫曾打败过他，让他蒙受羞辱，事业也一度因此跌入低谷，但他知道，这是一个值得尊重的对手。
战场之上，只有厉害的军人和军队，才能赢得别人的尊重。就在孟良崮战役接近尾声时，粟裕突然接到华野情报处的报告，称孟良崮还有电台在联络救援。
粟裕警觉起来，命令缓发捷报，重新核对歼敌数和七十四师的编制数，核来核去，发现少了7000人。
粟裕说：“狗急了要跳墙，弄不好会被它反咬一口。”他立即下令对孟良崮进行严密搜索，结果让他大吃一惊。
7000人实际就是没能上山的五十七旅余部，弹药已所剩无几，在无人指挥的情况下，他们悄悄地躲在一个山涧里，静等解放军撤离或趁其不备发动突袭。
7000人不肯投降，粟裕只好把华野3个纵队都派上去，予以全部消灭。
在国民党阵营中，很少有军队具备七十四师这样的单兵作战能力和困兽犹斗的意志。七十四师一名被俘的营级军官说：“如果七十四师被歼灭了，就没有任何部队能抵抗解放军了，解放军不仅可以收复一切失地，就是要到南京，也没有人能够阻拦。”
1947年5月16日，傍晚6点，七十四师成编制地消失掉了。
孟良崮战役前后长达4天4夜，这4天里，没有下过一滴雨。然而，仗一打完，天空却下起了大雨。一名被俘的七十四师军官仰天长叹：“天也要灭七十四师了！”
战役结束，叶飞忽然听到垛庄方向传来一片枪声，他赶紧派人前去查询。垛庄由王必成纵队所把守，纵队司令部的参谋给叶飞写了一张回条：“万枪齐鸣，山呼谷啸，并非敌骑进攻，而是我军战士胜利后略表狂欢之情耳。”
据华野方面提供的数据，孟良崮一战，华野伤亡高达12000人，但这个代价是值得的，“砸碎珍珠换玛瑙”，他们从此少了一个最大劲敌。
华野从孟良崮撤走以后，那些奉命增援的国民党部队陆陆续续都来了，可还有什么用呢。
“鲁中决战”计划鸡飞蛋打，七十四师的覆灭，让蒋介石痛心疾首，一再说“伤心不已”、“真是空前的大损失”。
国民党阵营里，除了蒋介石，最难过的人大概要数王耀武了。他军旅生涯中的一大半辉煌，要依靠七十四师，可以说这是他的一大精神支柱。国共谈判时，王耀武在济南会见陈毅，曾不无炫耀地说过，国民党军队中，只有他苦心孤诣，一手培养出来的七十四师能打仗。现在起家的老底子没有了，王耀武有如丧考妣之感：“七十四师之失，有如丧父之痛。”
战后追究责任，汤恩伯撤职，陈诚降为东北行政公署长官，李天霞送军事法庭，连其实已经很尽力的黄百韬也落了个“救援不力”的处分。