相對于左翼的黃百韜，右翼的李天霞則尤顯齷齪，他先是違背湯恩伯的指令，只派一個團助守垛莊，在垛莊遭到共軍圍攻後，他更率領100軍後撤了10里（100軍後撤之前的位置，距離孟良崮4公里，為參戰國軍距離孟良崮最近者）；當他接到蔣、顧、湯的嚴令，下定決心全力增援孟良崮時，前日這後撤的10里成了74軍、100軍共同的噩夢。而從100軍在16日下午已經打到鼻子山、桃花山來看，如果當初他不後撤10里，那麼，在74軍覆沒之前，李天霞部是一定能打到孟良崮的。

16日下午，抗戰第一雄師，號稱「輝煌部隊」的國民革命軍第74軍到了最後的時刻，張靈甫寫好遺囑交給少校參謀官楊占春，託付其帶給妻子王玉齡，全文如下：“十余萬之匪向我猛撲，今日戰況更惡化，彈盡援絕，水糧俱無。餘與仁傑決戰至最後，以一彈飲訣成仁，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。”

隨後，張靈甫分別給湯恩伯、蔣介石發出了最後一封電報，並向老長官王耀武訣別。

5月16日下午15時，74軍正、副軍長張靈甫、蔡仁傑、參謀處處長劉立梓、58師師長盧醒、57師副師長明燦、171團團長周安義等自戕殉國；51師師長陳傳鈞、57師師長陳噓雲、正、副參謀長魏振鉞、李運良等受傷被俘。

在天馬山鏖戰的黃百韜用望遠鏡親眼看到了共軍官兵如潮水般湧上孟良崮峰頂，大肆鳴槍慶祝。

就在共軍所有人忙著收集武器，押送俘虜，離開戰場時，粟裕顯示出他冷靜過人的一面，在計算74軍遺屍和被俘人員數字總和後，粟裕發現和74軍應有人數差距巨大，他立即命令各部對孟良崮地區展開搜索，但遍尋無著，粟裕急中生智，命令炮兵對孟良崮各峽谷進行無目的的漫射。四處炮擊之後，在雕窩和孟良崮主峰之間的山坳內傳來陣陣慘叫，共軍四、八、九縱立即將該地包圍，告知山坳內部隊，張靈甫、蔡仁傑已死，要求他們放下武器；遭拒絕後，共軍發起最後的圍攻，在雕窩的7000多名74軍官兵雖然沒有軍長、沒有師長，大部分官兵沒有子彈，只有手榴彈與刺刀，但仍然進行了英勇的抵抗，請記住他們的番號：國民革命軍第74軍57師。

戰至晚19時，該師極少數在170團團長馮繼異率領下殺出重圍，大部覆沒。然而，57師官兵在全軍慘敗之餘，仍有鐵一般的紀律，數小時內，在其藏身處，7000餘人如死一般寂靜，靜靜地等待共軍離開，而在共軍勸降後，他們的回答是一排排森亮的刺刀。如此意志，即連共軍將領亦欽佩不已。

至此，孟良崮戰役以國共雙方各自傷亡3萬餘人，第74軍幾全軍覆沒而告結束。而此時，空中電閃雷鳴，暴雨傾盆而泄。有人說，這是上天在為張靈甫、為74軍全體將士而哭泣；有人說，這是上天在嘲諷國民黨，在13日至16日整個戰役期間，滴雨未下，74軍官兵在炎日下、在熾熱的戰場饑渴難耐，所有的重機槍因無水而迅速啞火，而戰事甫告結束，暴雨立至，這是國民政府在遭受天譴。

無論如何，俱往矣。張靈甫及他的74軍是抗日鐵軍，是民族英雄，這是鐵一般的事實，任何人都無法篡改！