1947年5月15日，在鲁中地区蒙阴县东南的孟良崮和芦山一带，炮火怒吼，硝烟弥漫，一场惊天动地的大战正在进行，我华东野战军主力向国民党王牌部队张灵甫指挥的整编74师发起总攻。整编74师清一色美械，兵强马壮，按照粟裕的部署，华野动用了5个纵队担任主攻，4个纵队打援。
蒋介石严厉督促各路援军向孟良崮推进，张灵甫也在频频求救。华野挡住了敌援，敌25师和83师离得近，炮弹都能打到孟良崮了。74师3万多人被压缩在方圆两三公里的山地上，死守待援，战斗极其惨烈。
敌军占据着有利地形，拼命反击，成群结队往下猛冲。每一个山头、要点都要经过反复争夺，双方用刺刀拼杀，拿枪托砸，血肉横飞。敌军飞机空投的补给大都落在我军手上，时间一点点过去，敌军陷入饥渴难支的困境。
战至16日上午，陈毅和粟裕下令向孟良崮发起又一轮炮火急袭，步兵在炮火的掩护下夺取阵地，一点点往前拱，一些绝望的守敌开始打白旗，放弃了抵抗。下午，随着6纵特务团攻入74师指挥所藏身的山洞，击毙张灵甫，孟良崮战役基本结束。各部队纷纷打扫战场，向前指汇报战果，收拢部队。
粟裕觉得俘虏人数不对劲，这么大一个整编74师，俘虏才几千人，他们抵抗很顽强不假，但3万多人不可能只有几千人缴械。
刚好华野情报处汇报，他们通过无线电侦察手段发现，敌人还有电台在向援军呼救。粟裕判断，74师还有为数不少的残敌。作战科已经起草了电报稿，准备向中央军委报捷，拿给粟裕审阅，粟裕摆摆手说，先不要发，同时命令参战部队重新统计战果，击毙、俘获敌人的人数一定要精确无误，要仔细搜山，没有命令，不许停止。
大家觉得仗已经基本打完了，派小股部队搜山就行了，没必要兴师动众。粟裕说：“兵法上有穷寇莫追，意思是狗急了还要跳墙，弄不好会被反咬一口。我们打的是歼灭战，就是要追穷寇，把他彻底消灭。我反复核对了歼敌数字，应该还有7000 敌人躲起来了，这可不是小数目，弄不好会给我们造成不必要的损失。”
原来，粟裕根据参谋处统计的战果，与敌整编74师编制人数对比，发现出入很大。各部队上报的总歼敌人数是2.5万余人，包括几千名俘虏，但整编74师的编制人数是3.26万，还差7000人对不上号。
孟良崮战役华野斩获颇丰，不过自身损失也很大，总伤亡人数达1.2万，其中阵亡的就有2000余人。整编74师是华野的死敌，如果真让7000敌兵跑了，后悔也来不及。粟裕当机立断，命令各纵队组织轻装部队，严密搜索，尤其要注意隐蔽的山沟，不准放跑一个敌兵。
当时天气突变，孟良崮上空起了乌云，山雨欲来，能见度很低，给搜山增加了难度。大家听说还有几千残敌，自然是掘地三尺也要找到。果然，搜山部队很快在孟良崮和雕窝之间的山谷里发现了大批敌军，正是74师的残部，他们打算等到夜里突围。
粟裕的警觉让7000敌兵失去了突围的机会，华野第4、第8、第9纵队顾不上疲劳，立即将残敌包围起来，发起攻击。残敌已失去斗志，经我军喊话劝降，稍一交火就缴械了。至此，国军整编74师悉数被歼。
这场大战，华野歼灭敌军3.2万人，其中毙伤1.3万，俘虏将近2万，缴获各型火炮42门，迫击炮235门，炮弹7000多发；轻重机枪将近1000挺，长短枪9800多条，弹药200万颗。还有43具火箭筒，28个电台，近1400匹军马，击毁击伤4辆坦克和装甲车。由此可见，敌74师的弹药还比较充足，主要是吃喝供应不上了。
再次统计战果后，粟裕才让作战科给中央军委发捷报，并给陈毅打电话汇报情况。陈毅在电话里兴奋地说：“好！太好了！我要向全体将士祝酒致敬！”说罢，陈毅如释重负般坐下来，叹着气说：“嗨呀，这三天三夜算是熬过来了！以后我的儿子，说什么也不让他去带兵打仗！”身边的人都呵呵笑起来。
捷报传出，全军为之振奋。外围敌兵也跑了，华野各部队在孟良崮、芦山会师，当真是欢声雷动，震天动地。官兵们都称赞粟裕料敌如神，这仗打得痛快。陈毅见到粟裕，也紧紧握着他的手说：“老伙计，这个仗，你是越打越神了啊！”粟裕连声说不敢当。
作为战役实际指挥者，粟裕更是累得不行。从莱芜战役到孟良崮战役，粟裕从来没有睡过囫囵觉，脑力、体力消耗很大。头部的旧伤导致的头痛时常发作，他不得不戴着一种金属制作的健脑器坚持工作。从敌军进入鲁中到孟良崮战役结束，粟裕带病工作，好几天没合眼，脸涨得通红。战后医生给他测血压，吓了一跳，血压竟高达220度。
孟良崮战役的胜利意义非凡，挫败了国民党军对山东地区的重点进攻，山东的战局开始扭转，鲁中解放区军民欢欣鼓舞。正如毛主席给华野的电报里所说，歼灭敌74师，我军付出代价较多，但意义极大，证明我军在鲁中地区作战，完全能够用各种方法击败来犯之敌，取得决定性胜利。
5月22日，延安发布的时评对华野的胜利也是不吝赞美之词，说华东野战军和华东解放区的人民在全国的自卫斗争中，担负的任务最重，得到的成就也最荣耀。时评里还列举了几个蒙阴胜利特殊的意义，认为这是解放战争的转折点，意味着全国解放区全面反攻的时刻即将来临。
孟良崮战役是粟裕军事生涯中的神来之笔，将反常用兵、出奇制胜的指挥艺术发挥得淋漓尽致。后来粟裕总结这次战役，说打这种大仗，不能坐待条件完全成熟再出击，如果指挥员看不到战机，不敢下决心，是很难取得胜利的。
