2月5日，在陈、粟、谭三人共同署名发向中共中央的电报中出现三个方案：以二纵进攻白塔埠附近的郝鹏举部，威胁海州，以吸引敌东援或北进，视机歼其一路或两路；如执行第一方案仍未能吸引敌人前进，除以一个纵队位于临沂以南监视敌人外，主力集结临沂以北休整，待敌北进，再选歼灭机会；如南线敌人仍不北进，或北进时不利歼灭，则留一个纵队在临沂地区牵制敌人，主力急行北上，彻底消灭北线之敌。
电报发出后，二纵于2月6日晚对郝鹏举部发起攻击。
郝鹏举部原是被国民党收编的伪军，郝本人是一个反动军官，反复无常，见风使舵，搞政治投机。
经过一昼夜战斗，2月7日黄昏，二纵消灭郝部6000人，活捉郝鹏举。
郝部被歼，南线蒋军的左、中两路仍不前进，右路蒋军不仅不前进，反而向后退缩，华野还是没有获得歼敌主力的机会。
2月6日，打郝战斗正在进行时，毛泽东复电到了，明确表示：“完全同意五日十五时电第三方案，这可使我完全立于主动地位，使蒋介石完全陷于被动。”并指示：全军在原地整训，对外装做打南线模样，待敌占领莱芜、新泰等地后，秘密移动北上。
这样，陈毅、粟裕立即下了决心，毫不留恋地放弃临沂，主力北上莱芜地区，求歼李仙洲集团。
2月10日，陈、粟下达了华野主力急速北上的行军命令。
留在南线抗击敌人的二纵、三纵，虽然是以寡敌众，打得却十分顽强，直到2月15日，国民党南线欧震集团才占领临沂。
这一胜利令南京方面得意忘形，对我华野主力的北上毫无察觉。2月19日，我军各部已从容地完成了对李仙洲两个集团的战役合围。王耀武慌了，他已顾不得有违蒋介石和陈诚“诱敌来攻”的命令，急忙调兵遣将，但为时已晚。
粟裕在莱芜战役后。蒋介石所盼的“良机”永远不可能到来，王耀武所要求的让李仙洲集团逃跑的“良机”，也永远地失去了，而对陈诚所谓的“诱敌来攻”，华野是不请自到，莱芜战役于2月20日晚打响。惊天动地的围歼李仙洲的炮声，开始在沂蒙山区震荡。
一纵是19日晚到达莱芜西南，承担攻歼城内及其外围守军任务的。战斗打响后，守军越来越多，火力越来越猛，战场上烟雾弥漫，爆炸声震耳欲聋。司令员叶飞估计情况有变，下令各师构筑工事，准备苦战。
经一昼夜激战，一师攻占了城北重要制高点400高地，并控制了北门外的北铺、小洼等村庄；二师进占城东戴家花园、吴家花园等地域；三师攻占城西大、小曹村及马弯崖、张家楼等地。守军顽固抵抗，猛烈反冲锋，有些阵地几经易手。到21日黎明，一纵已从北、西、东三面将莱芜城守军紧紧钳住。
2月21日晚上，李仙洲在莱芜城召开紧急会议，同七十三军军长韩浚、四十六军军长韩练成、少将高参王为霖等，研究王耀武的“全军经吐丝口向明水突围”的命令。
会上，大家争论起来。李仙洲认为突围撤退是很不利的，主张等待临沂方面来支援，其余的人则主张撤，李仙洲最后决定撤。
由于李仙洲集团全部突围北撤决定被华野截获，华野迅速作出了部署，在莱芜到吐丝口的中途，设下袋形阵地，命令围城部队在城北放开口子，给蒋军“让路”，同时在莱吐公路两侧各布置3个纵队。待蒋军进入“口袋”后，东西夹击，在运动中将国民党军消灭。
23日晨，城内蒋军开始突围，华野发了三颗信号弹，红、蓝、白，这是主动“放行”的信号。华野边打边“放”，李仙洲求之不得，急忙且战且走。
下午1点整，在华野阵地上，红、蓝、白三色信号弹又一次划破长空。这是华野全线出击的号令！顿时，大炮轰鸣，炮弹像长了眼睛似地向密集的蒋军飞去，解放军排山倒海般同时从东西两面发起大规模冲锋。战士们不顾敌机的疯狂扫射，穿烟跃火，勇往直前。一时间，枪炮声、飞机呼啸声、喊杀声、敌军惊叫声，混成一片。
李仙洲的部队被打散了，李仙洲的总部也散架了，那些高级幕僚们扔下李仙洲径自逃命，李仙洲最后被俘。
下午5点钟，战斗全部结束。前后不到三天，莱芜战役胜利结束，李仙洲7个师56万多人全军覆没，除进入解放军阵地的韩练成、被击毙的田君健，还有新编三十六师师长曹振铎逃回济南外，其余19名将级军官全部俘虏。华野仅伤亡6000余人，又创一个前所未有的新纪录。
莱芜战役的胜利表明，华野已能够以自己的行动调动国民党军，因而在战略上取得了主动权。尽管国民党并没有就此停止在山东战场上的战略进攻，但却陷入被动状态。
1947年3月底，以国民党五大主力之一的整编七十四师为前锋，共40万大军压向山东解放区。张灵甫企图以自己为磨心，辅以外援，吸引华野并围歼之。陈毅、粟裕一改打薄弱之敌的传统，直取中央，打七十四师，于百万军中取上将——张灵甫首级于孟良崮。
1947年3月底，蒋介石在获得“延安大捷”后，便出动近50万兵力对山东解放区发动大规模进攻，以整编七十四师为主要突击力量，两翼和后续配以重兵，改变过去稳扎稳打的战术，由稳变猛，实施中央突破，全线进攻。
蒋介石对山东重点进攻的准备在莱芜战役后就已经开始。从3月初至4月初，国民党在黄河花园口决堤泄洪，以限制晋冀鲁豫野战军南北机动，切断华东与晋冀鲁豫的联系，王敬久兵团自冀鲁豫战场调到山东，整编第九师也由武汉调往山东。
在兵力上，蒋军用于山东方向已达24个师60个旅、455万余人，占其进攻解放区总兵力的27%，占其重点进攻兵力的66%。蒋介石认为，山东问题解决了，等于全国问题解决了3/5。
3月底，蒋军对山东解放区的重点进攻正式开始。到4月中旬逐步推进，已打通了津浦铁路徐州至济南段和兖州至临沂的公路，并占领了鲁西南地区。随即汤恩伯兵团主力共6个师，从临沂向蒙阴、沂水方向进攻，王敬久兵团在占领泰安后向莱芜方向进攻，欧震兵团从泗水向新泰方向进攻，对解放军略呈包围的态势。
陈毅、粟裕针锋相对，在蒋军重点进攻之始，采取持重待机的方针，主动创造和捕捉有利战机，条件具备了就坚决打，条件不具备，就改变和放弃原定计划，绝不急躁作战。
在这一个多月连续四次的作战行动中，解放军时南时北，或东或西，有进有退，有分有聚，既打且撤，用高度机动回旋的方法来调动和迷惑国民党军，陈毅形容这是同蒋军“耍龙灯”。
从4月初到5月初的行动是一个创造战机的过程，促成了蒋军的错误判断。于是，蒋介石决心“跟踪追剿”，并且下了一道密令，要进犯蒋军改变战略，将“稳扎稳打”改为“稳扎猛打”。由“稳打”改为“猛打”，这一来，蒋军密集靠拢的态势终于发生了变化，战机出现了。
5月11日，整编七十四师由垛庄经孟良崮西麓向坦埠南面的杨家寨、孤山解放军九纵进攻。
11日晚，情报部门送来了汤恩伯兵团的具体作战部署：命令以整编七十四师为中心，第二十五师、八十三师分别为其左右翼，以第六十五师保障二十五师侧翼，第七军和第四十八师保障八十三师翼侧，限于12日(后改为14日)攻占坦埠。同时，第五军、第十一师也由莱芜、新泰出动东犯。
显然，国民党军是以七十四师为主要突击力量，在两翼和后续强大兵团掩护下，对解放军实施中央突破，全线进攻。
一番深思熟虑后，粟裕向陈毅提出了新的作战方案：不打侧翼弱敌，而以“猛虎掏心”的方法从中央突破整编七十四师。
陈毅甚为赞同，说：“好！我们就是要有从百万军中取上将首级的气概！”
陈毅、粟裕决心已定，立即通知召集指挥员会议，部署打七十四师。会上决定：以5个纵队第一、四、六、八、九纵担任围歼任务，以第二、三、七、十共4个纵队担任阻援任务。粟裕还就各纵具体任务作了部署。
战役定于13日黄昏发起。陈毅提出了“歼灭第七十四师，活捉张灵甫”的响亮口号。大军云集，战火纷飞，惊天动地的孟良崮战役终于打响了。
在漆黑的夜幕掩护下，13日晚，解放军各主攻部队开始出击。到14日上午，一纵一部逼近蒙阴城，构筑了阻击蒋军整编六十五师的坚固阵地，主力攻占了蛤蟆崮、天马山、界牌等要点；六纵已达垛庄附近；八纵攻占了桃花山、磊石山、鼻子山等要点；四纵、九纵从正面经过激战，已推进到黄鹿寨、佛山，并攻占了马牧池、隋家店。
无奈，张灵甫只得退缩到孟良崮、芦山地区，并不得不把美式重炮和许多现代化装备丢在山下，从而丧失了它机械化的“优势”。
到15日拂晓，华野六纵占垛庄的同时，八纵攻占了万泉山，四纵、九纵推进到唐家峪子、赵家城子一线。很快，一、六、八三个纵队打通了联系，封闭了合围口，并构成阻击蒋军二十五师、八十三师的强有力的对外正面。一向以为没遮拦的“王牌军”七十四师，就在这一天一夜间，被我一、四、六、八、九纵队团团围住，压在了以孟良崮为中心的狭长地带。
在解放军以往的战役中，一般只要对敌人达成了战役合围，胜利就算基本有把握了。但是，这次战场态势特殊。解放军5个纵队包围着蒋军七十四师，蒋军却有10个整编师包围着解放军。七十四师战斗力强，孟良崮又易守难攻，陈毅、粟裕均告诫大家不可掉以轻心。
果然，飞到徐州督战的蒋介石，部署了新战术，即所谓“磨心战术”，企图以七十四师为“磨心”，将解放军主力紧紧吸引在孟良崮周围，紧催第五军、十一师、六十四师等，从新泰、莱芜、河阳、汤头等地赶来增援，从而合击解放军于蒙阴以东、汶河两岸地区。
应该说，七十四师被围，蒋介石是亦惊亦喜。从四面八方赶到孟良崮的解放军将士，来到前沿阵地一看，孟良崮及其周围山头，方圆不过数里，全是清一色的石头山，山峰陡峭，怪石耸立，草木稀疏。七十四师的4万人马云集在山上，饥无食，渴无饮，工事无法构筑，人马无处隐蔽，处境极为狼狈。
陈毅命令主攻部队，发扬连续作战的作风，不惜一切代价把孟良崮拿下来，要坚决、彻底、干净、全部歼灭七十四师！
14日起，一纵由西，四纵由北，六纵由南，八纵由东北，九纵由东方向，团团围攻孟良崮之蒋军。七十四师则拚命反攻，以攻为守。
此时，援军距孟良崮地区近者只有10余里的路程，远者也才3天左右的路程。无论攻歼七十四师还是打援，都是极艰巨的任务，解放军伤亡很大。
孟良崮战役后粟裕(左二)与陈毅(左一)视察华野炮兵射击演习。15日下午1时，解放军发起总攻。此时，总攻前线战斗已由叶飞和陶勇二人统一指挥。
战斗进入白热化阶段。七十四师依托巨石，居高临下，华野为了争夺每一个山头、高地，都要从下向上仰攻，每克一点，往往经过数次、数十次的冲锋，反复争夺，直到刺刀见红。其激烈程度，为解放战争以来所少见。
包围圈逐渐缩小。张灵甫在华野强大攻势的重压下，组织了几次大规模的反击，均被华野击退，并遭到惨重杀伤。
蒋军已被压缩于东西不到3公里、南北不到2公里的狭窄山区，粮尽水绝，处境非常不妙。各阻击阵地上的战斗，也打得异常艰苦。蒋军终于顶不住了，要找条生路，突围出去。
16日黎明，华野再次发起全线总攻击。
华野阵地上，无数门山炮、野炮、迫击炮、六○炮一齐开火，无数炮弹飞向各个攻击目标，纷纷迸发出震慑敌胆的巨响，山谷的回声，更结成了轰隆不绝的雷阵。
下午2点左右，七十四师已全线崩溃，师旅团营都失去通讯联络，师指挥所山脚下已见到解放军部队。张灵甫被击毙。
整编七十四师3.2万余人悉数被歼！