良崮山上的整编74师师长张灵甫，不停地打电报给蒋介石，哀求老头子派兵解围。蒋介石向增援孟良崮的十个整编师下达死命令：不惜一切代价向孟良崮急进，解救74师，并将****主力一举消灭在孟良崮地区。敌各部不敢怠慢，尤其是整编十一师，拼死向华野三纵七师发起一次又一次的猛烈攻击，坦克、火炮像发了疯似地不停开炮射击。战至下午四时，七师前沿三道防御阵地全部被敌占领，部队撤至大、小方山主阵地顽强抵抗。下午五时，三纵副司令员覃士冕和八师师长王吉文，来到七师大方山指挥所。覃副司令一面用望远镜观察敌情，一面听贺健师长汇报战况。贺健师长说：“我师与整编11师激战一天，予敌重大杀伤。但敌兵力火力强大，前沿三道防线均被突破，部队撤至大、小方山主阵地阻敌。我师伤亡较大，但三个团的建制完整，部队士气很高，我手中还有两个连的兵力未动，守住大、小方山四个小时，有绝对把握。”覃副司令员说：“纵队首长要我转告七师全体官兵，你们打得很顽强，很灵活，出色地完成了阻击任务。纵队首长研究决定，八师今晚八时乘夜色发起反冲击，希望七师咬牙再坚持三个小时。”贺健师长坚定地说：“请纵队首长放心，七师保证完成任务，不管付出多大牺牲，一定坚持到八师发起战斗时为止。”转身问王吉文师长，“老王，八师准备向什么方向反冲击?”王吉文师长说：“我决定从小方山方向发起主攻，得手后插到大方山敌主攻部队屁股后面兜击，狠狠给他一下子。”贺健师长一拍大腿，说道：“好主意！两个小时后，我放弃小方山阵地，并集中全师兵力兵器向大方山山下敌军，再发起一次反冲击，把敌军主力都吸引到大方山山下，八师向小方山反冲击时，会少些压力。当八师占领小方山并兜击大方山之敌时，七师同时从正面阵地反击下去，前后夹击敌人。”晚八时，天空出现三颗红色信号弹，三纵八师在师长王吉文、政委王六生率领下，从大方山后腰部突然发起反冲击，如同一支脱鞘利剑，勇猛地刺向敌人。八师是久经沙场，能攻善战的主力师，其主力23团（原山东教二旅五团）、22团（原鲁南三团）战斗力极强，很快攻占小方山阵地，并向大方山之敌侧后兜击。此时，七师也从正面发起反冲击，打得敌整编11师两个团溃败而逃，毙俘敌700余人，并收复大、小方山各阵地，敌整编11师受到致命打击。
战至十七日上午，敌整编11师士气低落，特别是得知74师已被全歼，斗志全无，全天只进行几次象征性的进攻，我军稍一反击，敌很快退却。
此时，敌五大主力之一的第五军，由莱芜南下增援，与三纵九师阻击部队在蔡庄地域发生激战。敌第五军军长邱清泉中将指挥所辖45、96、200三个师，向九师阵地发起猛烈攻击。
当九师阻击战斗打到吃紧关头，华野十纵赶到，两军合力反击，稳住了阵地。十七日午后，三纵接到野司通报：华野主攻兵团于十六日下午三时，攻占孟良崮，击毙张灵甫，歼敌3。2万人。华野三纵胜利完成新泰至蒙阴公路间阻击敌整编11师任务后，于十七日下午迅速撤离常路大、小方山阻击阵地，转至沂水地区休整。
孟良崮战役历时三天，华东野战军歼敌整编74师3个旅，83师57团共3。2万人。缴获火炮28门、战防炮14门、迫击炮52门、60炮183门、火焰喷射器11具、火箭筒13具、掷弹筒18具、枪榴弹筒43个、轻重机枪3468挺（内含冲锋枪2482支）、步枪6900支、手枪365支、手榴弹6360枚、地雷130余枚、炮弹7200发、子弹208万发、战马1397匹、电台28部、汽车三辆、坦克三辆。孟良崮战役共毙敌74师师长张灵甫中将、副师长蔡仁杰少将、58旅旅长卢醒少将、副旅长明灿少将。俘敌74师参谋长魏振钺少将、副参谋长李运良少将、51旅旅长陈传钧少将、副旅长皮宣猷少将，57旅旅长陈嘘云少将。华东野战军全歼敌五大主力之首整编74师，震惊蒋家朝野，进攻山东的三十万蒋军无不惊魂失魄。****中央军委于五月十七日发来贺电，****晋冀鲁豫中央局、华东局也发来贺电，延安新华社发表社论《祝贺我军蒙阴大捷》。特别具有讽刺意义的是，号称“****精英楷模，”誓死效忠蒋介石的御林军，蒋军五大主力之首的整编74师被俘八名将校级高级将领，于六月八日联名发表。“反对内战”通电，1400余名整编74师士兵参加华东解放军，调转枪口，投入到正义之师的战斗行列，把蒋介石气得吐血。
五月二十八日至六月二日，****华东野战军前委在沂水西北的坡庄，召开团以上干部会议，****华东局书记饶漱石作了“关于准备反攻迎接胜利”的报告。副书记陈毅作了“关于山东战局和军事问题”的报告。会议就孟良崮战役总结、坚持以运动战为主，彻底粉碎蒋军的重点进攻、为反攻创造条件及后勤工作等，作了全面部署。鉴于华野主力半年时间连续发起宿北、鲁南、莱芜、孟良崮四大战役，部队急待休整补充的情况，六月中旬，华野主力进入休整，同时开展山地攻防战术训练