5月12日，华野下达了以第1、第4、第6、第8、第9纵队担任割裂围歼整74师的任务，以第2、第3、第7、第10 纵队担任阻援任务的命令，并决定战役于13日黄昏发起。
当晚，华东野战军第1、第8纵队以一部兵力在整编第74师正面予以阻击，主力从其两翼寻隙向纵深楔进相继攻占了黄斗顶山、尧山、天马山、界牌等要点，割断了整编第74师与整编第25师、整编第83师的联系。
5月14日10时，张灵甫得知天马山，马牧池、磊石山等地失守后，预感到有被围歼的危险，即仓促向盂良崮、垛庄方向撤退。华东野战军发现整编第74师南撤，立即乘胜猛攻。担任正面攻击的第4、第9纵队经彻夜攻击，进占唐家峪子、赵家城子一线;第6纵队在第1纵队一部协同下，于15日拂晓攻占垛庄，截断了整编第74师的退路;第8纵队攻占万泉山，同第1、第6纵队打通了联系，在芦山、孟良崮地区形成了对整编第74帅的四面包围。
整编第74师被包围，蒋介石、顾祝同虽感吃惊，但认为该师战斗力强，所处地形有利，已控制制高点，必能坚守，如若相邻援军迅即推进，可造成与华野主力决战的机会。因此，除令整编第74师固守待援，牵制华东野战军主力外，严令新泰的整编第11师、蒙阴的整编第65师、桃墟的整编第25师、青鸵寺的整编第83师以及河阳、汤头的第7军、整编第48师等部迅速向整编第74师靠拢;并调第5军自莱芜南下，整编第20师自大汶口向蒙阴前进，企图用10个整编师的兵力在蒙阴、青驼寺地区歼灭华东野战军主力。
华东野战军指挥部鉴于蒋介石调动10个整编师的兵力来援，且多数已距盂良崮仅一至两天路程，有的只有十几公里，情况十分紧急，如不能在短时间内歼灭整编第74师，将陷入10个整编师的围攻之中。为此，于15日令阻援部队坚决阻击各路援军，令主攻部队不惜代价加速攻势，一定要在援军赶到之前迅速歼灭整编第74师。
5月15日晨，整74师被围困于孟良崮为核心的几个山头上。13时，华东野战军发起总攻，各部队从四面八方多路突击，整编第74师负隅顽抗。然则孟良崮地形不利于74师重型武器发挥其威力，在华野一浪高过一浪的猛烈攻击下，雕窝、芦山等主阵地相继失守。
此时，国防部方意识到因共军部署得当阻援坚决，整编74师面临全歼危局，遂严令增援各部加快推进速度，解救张灵甫于危难。