華東野戰軍發現，整第七十四師位置比較突出，並且全部展開，與左右鄰有一定間隙。該師是國民黨軍隊的五大主力之一，清一色美式機械化裝備，重武器多，火力較猛。該師曆來是國民黨軍隊中的"大少爺"，蔣介石對其補給、裝備非常關心，因此為其他一些國民黨軍隊所忌妒，矛盾較深。如果能殲滅該師，不僅可以極大地挫傷國民黨軍隊的銳氣，對敵各軍產生威懾力，而且能夠鼓舞人民解放軍和強大敵軍主力作戰。為此，決定調集主力10個縱隊迎殲該師於坦埠以南、孟良崮以北地區，決定以第一、四、八、九、六共5個縱隊主攻圍殲，以第十、三、二、七共4個縱隊阻援，以特種兵縱隊集結於沂水、下位間待命。
孟良崮戰役於5月13日打響，擔任主攻的5個縱隊各自按照既定目標，實行對整第七十四師的包圍：第一縱隊自蒙陰東北方向向縱深猛插，割裂了整第七十四師同其左翼整第二十五師的聯係；第八縱隊自孟良崮東北方向向西南穿插，割裂了整第七十四師同其右翼整第八十三師的聯係；隱伏於銅石西南的第六縱隊迅速向東北急進，抵達垛莊附近；第四、九縱隊自孟良崮以北地區向南正麵推進。5月15日，第六、第一兩縱隊協同攻下垛莊，第八縱隊攻下萬泉山，3個縱隊打通了聯係，封閉了合圍口。至此，整第七十四師及整第八十三師一個團被合圍在孟良崮、蘆山地區。
蔣介石卻錯誤認為，張靈甫整第七十四師約4萬人占領了製高點孟良崮，華東解放軍的合圍是被該師拖到了孟良崮周圍，以為決戰機會到來。他企圖用該師將華東野戰軍吸住，再用強大援兵實行反包圍，然後來一個中心開花，內外夾攻。於是他一麵嚴令張靈甫堅守孟良崮，一麵命令10個整編師增援，企圖將華東野戰軍消滅在孟良崮。針對蔣介石這一企圖，華東野戰軍決定，在國民黨軍援軍到達之前，速戰殲滅整第七十四師；如敵增援，各阻擊部隊堅決阻擊，保證主力部隊攻擊成功。
華東野戰軍以5個縱隊打1個整編師，兵力上占絕對優勢，而且整第七十四師重武器坦克和裝甲車難以在石頭山上展開，這樣，整第七十四師擺脫不了被全殲的命運。戰鬥從5月15日拂曉開始至5月16日止，整第七十四師被全殲於孟良崮。該師上至師長下至馬佚無一漏網，中將師長張靈甫被擊斃。隨後在6月底至7月中旬，華東野戰軍又在沂蒙山地區殲滅一部分國民黨軍隊。這樣，迫使國民黨軍隊7個整編師從沂蒙山地區撤向魯南地區，在沂蒙山地區隻留下4個整編師。國民黨軍隊對山東解放區的重點進攻，基本上被粉碎。
劉鄧大軍挺進中原
自國民黨1946年6月挑起全麵內戰到1947年7月，人民解放軍經過一年的英勇奮戰，殲滅了國民黨軍隊大量有生力量，使國共雙方的力量對比發生了重大變化。國民黨軍隊總兵力已由戰爭開始時的430萬人降至370萬人，其中正規軍由200萬人降至150萬人。人民解放軍的總兵力則由戰爭開始時的120萬人發展到195萬人，其中正規軍100多萬人，可以全部用於機動作戰。人民解放軍由內線作戰轉入外線作戰、由戰略防禦轉人戰略進攻的時機已經到來。毛澤東對此指出："中國人民的革命戰爭，現在已經達到了一個轉折點。這即是中國人民解放軍已經打退了美國走狗蔣介石數百萬反動軍隊的進攻，並使自己轉入了反攻。""這是蔣介石的二十年反革命統治由發展到消滅的轉折點。"中共中央和毛澤東清楚地看到了這一轉折時機，科學地分析了形勢變化，不失時機地作出了人民解放軍實行戰略轉變的科學決策。毛澤東向全黨全軍指出："我軍第二年作戰的基本任務是：舉行全國性的反攻，即以主力打到外線去，將戰爭引向國民黨區域，在外線大量殲敵，徹底破壞國民黨將戰爭繼續引向解放區、進一步破壞和消耗解放區的人力物力、使我不能持久的反革命戰略方針。我軍第二年作戰的部分任務是：以一部分主力和廣大地方部隊繼續在內線作戰，殲滅內線敵人，收複失地。"隨即在1947年7月21日，中共中央在陝北靖邊小河村召開擴大會議，著重討論和部署全國戰略進攻問題。9月1日發布了《解放戰爭第二年的戰略方針》，決定舉行全國性反攻。關於戰略進攻的方向，決定以中原地區為突破口，矛頭指向大別山，因為：大別山雄峙於南京和長江中遊重鎮武漢之間的鄂、豫、皖三省交界處，具有重要的戰略地位，是國民黨戰略上最敏感而又最薄弱的地區；這裏又曾經是老革命根據地，人民解放軍容易在此立足，占據了大別山就可以東懾南京，西逼武漢，南扼長江，瞰製中原。