底消灭敌七十四师。
陈毅与粟裕商定，在5月15日下午发起总攻。为了便于密切观察和指挥作战，粟裕率领少数参谋、机要人员组成的前线指挥所由坦埠西移，他们到艾山脚下的张林村附近的一个“千人洞”指挥作战。
陈毅还向部队喊出了“歼灭七十四师，活捉张灵甫”的口号。广大指战员立下了“攻上孟良崮，活捉张灵甫”“消灭七十四师立大功，红旗插上最高峰”的誓言，各级指挥员到第一线指挥，一场剧烈的攻坚战展开了。
雕窝山位于孟良崮主峰的东侧，山势陡峭，是通向芦山、孟良崮的必经之路，敌有一个营固守。15日拂晓，九纵七十六团二营、三营在炮兵支援下，向雕窝山守敌发起猛攻，经五个多小时的激战，于11时许攻占该山。守敌深知雕窝山失守，危及主峰，遂于12时，乘华野九纵七十六团立足未稳，组织部队反扑，结果得手。七十六团领导见势，迅速调整部署，于13时再次发动攻势，经反复争夺，终于在次日8时打垮守敌，重占雕窝山，为攻击芦山、孟良崮主峰开辟通道。
五四零高地为孟良崮的天然屏障。一纵以六个团投入战斗。所属独立师三个团由杨家庄、叶家沟地域，一师一团由二八五高地以南，二师四团、六团由二八五高地以北，于15日16时向五四零高地发起攻击。结果几次攻击均未能奏效。纵队政治部主任汤光恢见势，到前沿阵地鼓动士气，并要求各师团领导靠前指挥。调整进攻部署后，他带领部队于5月16日2时发起第二次攻击。四团一连五班班长、共产党员曹相佐腹部中弹，以左手塞回肠子，按住伤口，以右手连续向敌扔出五颗手榴弹。在莱芜战役中建立殊勋的一纵一团一连，即“人民功臣第一连”，则利用敌照明弹的光亮，对准敌群，大显排子手榴弹威风，迫敌步步后退。16日拂晓，一纵五个进攻团乘敌溃败之势，各以一部迅速攀上西五四零高地。
四纵十师三十团六连和二十九团二连，在与上级中断联络之后，从山坡侧后攀缘而上，秘密接敌，与一纵先头部队同时攻上西五四零高地主峰。
守敌为夺回五四零高地，以整营整团兵力连续进行反扑，在华野一纵和四纵顽强抗击下，被迫回窜至东五四零高地。16日13时，四纵在一纵等部队协同下，经激烈战斗，攻击五四零高地得手，歼敌五十一旅大部，迫残敌逃至六零零高地和孟良崮。
芦山主峰为各峰之冠。华野八纵二十三师和六纵四十九团担负攻击任务。16日上午，二十三师分三路向芦山发起猛攻，各攻击部队以猛烈火力很快摧毁敌第一、第二道外围阵地。六十七团的“安丘连”，以迅雷不及掩耳之势率先突入敌阵。“刘光荣班”战士彭德忠像猛虎般扑向敌人机枪手，夺过机枪向敌群横扫，打得敌人鬼哭狼嚎。随后，六十九团“李干排”在战斗英雄张希春副连长率领下，首先冲上山顶。紧接着，六十八团一营在李浩营长率领下也冲上顶峰。
六纵负责主攻的部队于5月15日下午3时许，迅即向敌七十四师展开了猛烈攻势。十七师的四十九团、五十团配合友邻八纵队向孟良崮的侧翼发起攻击。十八师的五十三团、五十四团向敌七十四师的外围阵地横山、官山、大山场一线猛打猛攻。
晚7时许，五十四团、五十三团集中力量攻歼业家沟、杨家庄的敌人。他们先以十分猛烈的排炮轰击，炸得敌阵地碎石横飞、浓烟滚滚，使敌人遭受严重杀伤，抬不起头来。然后，攻击部队在强大炮火掩护下，勇猛冲击，一举突入敌阵，完全占领了业家沟、杨家庄、大山场。
眼看七十四师这支“御林军”大难临头，蒋介石急得六神无主、万念俱灰。他再次向外围的十个整编师发出了最严厉的手令：
山东共匪主力今已向我倾巢出动，此为我军歼灭共匪、完成革命唯一之良机，如有萎靡犹豫、逡巡不前或赴援不力、中途停顿者……必以误国纵匪、贻误战机严究论罪，决不宽容！
第一兵团司令官汤恩伯也向所属各部发出急电：“张灵甫师孤军奋战，处境艰危。各部务须击破共军包围，救袍泽于危困，不得见死不救……”
在蒋介石、汤恩伯的严令督促下，国民党外围十个整编师的增援部队，都疯狂地向孟良崮地区攻击前进，与华野外围阻援部队展开了空前惨烈的大血战。
经连续几天血战，来增援的蒋军各部都被挡在包围圈外面。号称五大主力之一的第五军被十纵挡在莱芜一线，号称五大主力之一的整编十一师被三纵挡在蒙阴以北。
敌整编四十八师被二纵和七纵挡住，举步艰难。
敌整编二十五、八十三师被一纵、六纵各一部挡在天马山以西，他们进至与七十四师的距离尚有5公里之地时就再也前进不了了，除打炮以示支援，别的什么招数也施展不了。
5月16日下午，粟裕命令：“一、四纵队向南，九纵队向西南，八纵队向东南，六纵队向西，准备向孟良崮和六零零高地发起最后攻击。并令特纵榴弹炮团迅速开进依汶庄、马牧池以东地区，作好射击准备，到时候要不计消耗，集中火