粟裕长期在华东战场指挥作战，从抗战时期的敌后游击战到解放战争大规模野战，积攒了大量实地作战经验，也养成了临机应变、敢打险仗的指挥风格。

1947年开春之后，国民党结束全面进攻，调转策略集中重兵重点进攻陕北与山东两大解放区，山东是敌军投入兵力最多的战区，顾祝同在徐州坐镇指挥，集结二十四个整编师近四十五万兵力，划分三个兵团稳步推进，打法改成密集靠拢、齐头并进，不想再分散兵力被解放军逐个吃掉。国民党五大主力里面的整编74师、整编11师、第五军全都压在鲁南一线，其中张灵甫统领的整编74师是蒋介石嫡系王牌，全师配备美式军械，官兵大多经过美军顾问正规化训练，抗战时期打过不少硬仗，战后驻防江苏期间接连拿下淮阴、涟水，张灵甫凭着战功深得蒋介石信任，平日里行事骄矜，和周边友邻部队将领相处隔阂很深，不少国军将领不愿意倾力配合他作战。此前华东野战军靠着灵活机动的耍龙灯战术来回拉扯敌军，辗转鲁中多地，却因为敌人兵力排布太过紧凑，始终找不到合适的歼敌突破口，部队长时间辗转行军，指战员身心消耗很大。

五月上旬，国民党第一兵团司令汤恩伯急于抢功，违背原定稳扎稳打的部署，不等另外两个兵团协同到位，就以整编74师作为突击主力，两侧搭配整编25师、83师掩护，命令张灵甫率兵直奔华野指挥驻地坦埠，打算一举捣毁华野指挥中枢，5月11日，华野情报部门截获敌军完整作战部署，粟裕立刻捕捉到关键战机，此时74师孤军向前突进，和左右两翼友军拉开数公里空隙，周边全是沂蒙山地，多裸岩少土层，重型火炮没办法拉上山，美式装备的优势没法施展，客观条件利于分割围歼。当时华野不少一线指挥员心里犯嘀咕，四周四十多万国民党大军环伺，贸然掏出主力硬啃处在敌军阵型中间的王牌师，风险实在太大，一旦短时间拿不下74师，外围援敌合围过来，围歼部队反倒有被反包围的隐患，就连华野内部部分干部一开始都不理解这个作战方案。粟裕把歼敌想法上报陈毅，陈毅当场敲定作战思路，定下百万军中取上将首级的打法，同步致电中央军委请示，5月14日毛泽东复电明确表示：歼击74师极为正确。

随后粟裕敲定具体兵力分配，五个纵队负责合围歼灭74师，剩余四个纵队分头布防，死死卡住各路增援敌军，六纵原本在鲁南偏远区域休整，接到命令之后连夜急行军上百里，抢先占领垛庄，直接堵死74师后撤的唯一退路。5月13日晚，战役正式打响，一纵、八纵从74师左右两翼穿插割裂，硬生生撕开74师和两侧25师、83师的联系，四纵、九纵从正面顶住74师攻势，一步步压缩阵地，短短一夜，张灵甫就发觉自己陷入重围，慌忙收拢部队退守孟良崮山地，一边就地固守顽抗，一边接连发电求援，催促周边十几个整编师火速解围。

外围阻击战打得同样惨烈，国民党各路援军距离孟良崮最近处只剩短短数公里，炮火都能打到孟良崮主峰，负责阻援的各纵队官兵顶着轮番冲锋死战不退，很多阵地反复拉锯，兵员伤亡持续增加，前线战况一度紧绷，5月15日晚间，华野指挥部整夜没有休息，陈毅和粟裕盯着前线战报，清楚如果16日不能彻底解决74师，后续战局会彻底陷入被动。困在山上的74师困守光秃秃的石山，挖不出战壕掩体，粮草、饮水接连耗尽，重装备全部丢在山脚，士兵暴露在山体坡面，面对解放军不间断冲锋，防线持续收缩，到16日午后，华野各部陆续攻上各个高地，当天下午主力基本扫清山头守军，清点战果时各纵队上报歼敌人数和敌军编制数量对不上，粟裕察觉还有残兵潜藏山谷，当即下令全员搜山，最终肃清藏匿在山沟的残余官兵，整编74师及整编83师一个团共三万两千余人全数被歼，张灵甫在芦山半山腰的石洞内被击毙。

捷报传到陕北，毛泽东听完战报之后直言，这场仗全中国有两个人没想到，一个是蒋介石，另一个就是自己，蒋介石得知王牌师全军覆没之后在南京大发雷霆，接连追责多名领兵将领，国民党对山东的重点进攻节奏就此被彻底打断，被迫转入阶段性防守。此战过后，国民党内部军心出现明显动摇，原本全线压进的进攻部署被迫大幅收缩，华野靠着这一场险胜，扭转整个山东战场的僵持局面。时至今日，依旧有人争论，当年粟裕敢在重兵合围里虎口拔牙，是精准拿捏了战场所有细节，还是靠着沂蒙百姓倾力支援和官兵悍不畏死的拼杀，才促成这场解放战争里的经典胜仗。