時機成熟了，5月15日13時，解放軍發起總攻，一場大規模的圍殲戰開始了。各主攻部隊集中各種大炮、山炮、野炮，一齊向敵人陣地猛轟。74師的火力是很強的，也集中炮火還擊。隻見一串串炮彈從空中呼嘯而過，到處響起山崩地裂似的爆炸聲。
華野全體指揮員發揚了猛衝猛打的戰鬥作風，奮勇作戰。15日下午1時，解放軍發起總攻，從四麵八方多路向整74師突擊，整74師則竭力頑抗。雙方對大碾、雕窩孟良崮東北高地等重要陣地進行反複爭奪。戰至16日晨，華野攻占大碾、雕窩、520和540高地，將74師壓縮至孟良崮、蘆山、600高地一線狹小地區內。華野抓住戰機，集中強大炮火猛烈射擊，山上彈片碎石齊飛，整74師人馬亂成一團，互相踐踏，戰鬥隊形混亂。解放軍戰士乘機突入整74師陣地，以白刃格鬥消滅頑抗之敵。
整74師在援兵遲遲不到，抵抗無效後，於當日下午傾全力分兩路突圍，被第7縱隊打回，向西突圍，被第1縱隊擊回。華野突擊部隊在猛烈炮火掩護下，乘勝向整74師連續突擊。
到了16日下午，孟良崮上的敵軍已經潰不成軍，解放軍已經控製了孟良崮所有的製高點。敵74師官兵被打傷一大半。解放軍的一個特務團首先突破了孟良崮兩側，直取74師指揮部所在的山洞。張靈甫急忙命令他的參謀長帶著警衛營衝上山腰，用猛烈的炮火阻止特務團前進。經過一陣激烈的拚殺，特務團把敵人打死了一部分，俘虜了大部分。特務團乘勝向74師指揮部的山洞逼進。1營3連指導員邵至漢首先衝到洞口，張靈甫的衛隊長領著100多名士兵衝了出來，占據洞口附近的洞穴、石岩、石縫，拚命抵抗，邵至漢英勇犧牲。3連戰士用複仇的子彈和刺刀消滅了敵人，控製了洞口。後續部隊趕到以後，我軍集中火力向洞內猛烈射擊，接著戰士們衝進了敵人指揮所敵軍官兵紛紛就擒，猖狂的張靈甫及副師長蔡仁傑均被擊斃。此次戰役殲敵32萬餘人，其中俘虜19萬人。
孟良崮戰役，華東野戰軍徹底粉碎了蔣軍統帥部署魯中會戰計劃，沉重地打擊了蔣介石對山東解放區的重點進攻，極大地震動了蔣軍內部。和孟良崮勝利的同時，東北、豫北、晉南等地，強大的反攻正在展開。