湯恩伯5月12日晚接到張靈甫請求撤退的報告後，當即予以否決，他命令張靈甫必須按原計劃於14日攻佔坦埠。

但湯恩伯亦非顢頇之輩，他隨後命令李天霞派出一個師進駐垛莊，確保74軍後方安全；命令同樣擔負主攻的黃百韜25軍抽出一個師切實保障74軍左側安全。

5月13日，74軍與共軍鏖戰竟日，最近時距離坦埠已僅有十餘里，但張靈甫已深感共軍有圍殲74軍之戰略意圖，整個戰場殺機四伏；當晚，張靈甫僅留陳傳鈞51師在汶河北岸紮營，自率陳噓雲57師、盧醒58師撤往汶河南岸；

湯恩伯根據這一天第25、74、100軍的戰情匯總，判斷共軍確有圍殲74軍之戰略意圖，74軍處境危殆；此時已值深夜，湯恩伯直接打電話到南京蔣介石官邸，接電話的是參謀次長劉斐，他聽完湯恩伯要求允准第一兵團全線後撤的陳述後，立即予以斥責；湯恩伯要求與蔣介石通話，劉斐告之“主席已休息，不便驚動。”

湯恩伯隨後打電話到徐州向顧祝同陳情，顧表示整個方案由陳誠、劉斐制定下達，陸總亦無權更改，他僅負責督戰，要求湯恩伯執行命令。

13日整晚，汶河兩岸的74軍都在與共軍交火中；14日晨，張靈甫命令51師做出猛攻坦埠假像後，全軍迅速向垛莊撤退。

上午十時許，74軍行進至孟良崮地區，得悉垛莊正處於共軍圍攻中；

李天霞100軍此時共有三師六團，其中一個團負責駐防臨沂；12日晚，李天霞接到湯恩伯的命令，命其派出一個師進駐垛莊，確保74軍後方安全，李天霞僅派出戰力較薄弱的19師羅文浪57團一個團；在得到垛莊被圍的報告後，李天霞沒有選擇立刻赴援，而是全軍後撤了十里。以後的事實證明，這後撤的十里，葬送了74軍唯一的生機。

在25軍這邊，黃百韜12日晚接到湯恩伯令其派出一個師確保74軍左翼安全的命令後，命楊廷宴108師進駐界牌、天馬山，與74軍取得聯絡；但在13日，108師在遭遇葉飛一縱猛攻後，黃百韜立即將108師撤回桃墟。

5月14日中午，74軍登上了孟良崮；粟裕下令必須在15日中午12:00之前結束戰事；

血戰至15日晚，共軍雖然佔領了垛莊及孟良崮周邊大部分陣地，但並未能對74軍形成致命打擊；相反，74軍仍頻頻反攻；

粟裕總結這24小時的戰鬥，各縱隊奮勇拼殺，在付出重大傷亡後，卻未能取得預期戰果，關鍵在於各縱隊各自為戰，缺乏統一指揮。於是粟裕任命葉飛為前敵總指揮，統一指揮參戰的五個縱隊。

由於葉飛出身新四軍，因此此項任命引起原八路軍將領之不滿，尤其是九縱司令員許世友，最為抵觸。許世友表示部隊犧牲重大，要求休整再戰。

粟裕對陳毅表示：“孟良崮戰役如果失敗，不服軍令者需承擔首責。”

陳毅隨之發佈嚴令：“有退縮不前者、有保存實力者、有抗拒命令者，殺頭！成敗在此一舉，要不惜一切代價吃掉74軍，拿下孟良崮。那怕縱隊打光了，只要把敵人消滅也在所不惜。誰攻上孟良崮，誰就是英雄！現在只有衝鋒，後退就是死亡。”

粟裕告誡葉飛：必須在16日中午12:00之前結束戰事。

此時的74軍，飲水、糧食、彈藥俱無，空軍空投物資由於對空聯絡電臺在14日便已戰毀，加之空軍飛行技術拙劣，貪生怕死，不敢在山區低空飛行，他們在高空投擲的物資，十之八九皆落入共軍陣地。

在蔣介石、顧祝同的一再嚴令下，在湯恩伯的苦苦哀求下，14日晚，黃百韜終於親率25軍兩個師全力增援孟良崮。惡鬥至15日下午，負責駐守天馬山的一縱廖政國師四個團傷亡殆盡，粟裕急調六縱張雲龍第16師增援天馬山，當16師到達天馬山阻擊陣地時，25軍的衝鋒部隊距離山頂已僅有30米，就是這最後的30米，黃百韜甚至親自帶隊衝鋒，直到次日傍晚，山對面的孟良崮槍聲全部停息，25軍也未能越過，而此時的他們距離孟良崮僅有1公里。

李天霞在15日上午下定決心增援孟良崮後，當初從青駝寺後退的十里，成為74軍、100軍共同的噩夢；當100軍終於前進十里，打到桃花山、鼻子山時（已佔領），已是16日晚，五公里外的孟良崮已只剩遍地屍骸了。

16日午後，張靈甫在寫完那封著名的遺囑後，向蔣介石、湯恩伯分別發出最後一封電報，並向老長官王耀武訣別。

16日黃昏，在天馬山鏖戰的黃百韜在望遠鏡中看到共軍將士潮水般湧上孟良崮主峰。

至16日晚，74軍終於全軍覆沒。

注：張靈甫遺書原文：“十余萬之匪向我猛撲，今日戰況更趨惡化，彈盡援絕，水糧俱無。我與仁傑決戰至最後一彈，飲訣成仁，上報國家與領袖，下答人民與部屬。老父來京未見，痛極！望善待之。幼子望養育之。玉玲吾妻，今永訣矣！
靈甫絕筆 五月十六日 孟良崮”。