15日13，华东野战军各部从四面八方总攻，国民党军74师凭借强炮火拼力抵抗，战况空前激烈，每一阵，每一寸土，经次反复争夺。华东野战军的指战员不怕牺牲，浴血奋战，越战越勇，相继攻占雕窝、碾等点，逼近孟良崮。整编74师在抵抗无效，倾尽全力企图突围，先向南，被6纵队打回，向西，被1纵队顶住，再向东，又被9纵队拦截。74师横冲直撞，处处碰壁，被迫15日晚麇集孟良崮、芦山及600高等几山头。
孟良崮是蒙山区著名的72崮一，四周陡壁，势险峻。74师防御均在岩石山，难构筑工，人马辎重堆集山头，暴露外；值夏烈日头，溪流干涸，水断粮缺，弹药不足，空投的物资又落在阵外面。士兵饿无食，渴无水，军动摇，怨声四，但张灵甫仍组织部队，企图固守待援。
此，国民党军1兵团在战的《检讨》中认军集结孟良崮一带乃一失策，“孟良崮孤立岩石重山，工构筑困难，人马炮火又无遮蔽，尤缺乏水源，使战斗不持久。故此类阵限部队占领警戒阵或一翼依托宜”。（《一兵团蒙东南区战役战斗详报》）
15日夜，华东野战军首长在获悉74师的述企图各路援军急切迫近的情况，命令各攻击部队坚决连续冲击，一定在敌军援兵赶前，彻底消灭74师。任1纵队司令员的叶飞在战的总结中，特别谈面临的严峻情况，他说：“在16日不解决问题，我撤退；果撤退，由我已搞精疲力竭，沂水等丢掉，长征；因此指挥部曾严格命令，求各级严加督促，16日消灭74师，即使牺牲两纵队，迅速解决问题。”
各部按照述命令，立即集中强炮火，向74师的阵猛烈轰击，山弹片飞舞，碎石腾空，火光冲。74师建制被完全打乱，指挥失灵，人马混杂，互相践踏。华东野战军乘机突入74师阵，与敌展白刃格斗，顿血横飞，尸体遍。16日6，74师参谋长向汤恩伯报告：“15日夜，终宵战斗，敌我伤亡均极惨重，请空投粮弹，并望援军速进。”（《一兵团蒙东南区战役战斗详报》）
激战至16日8，9纵队等部再次攻占雕窝，又相继攻占520、540高，13攻占芦山。关雕窝的失情况，9纵队在战总结中是写的：该纵队15日11攻占雕窝，即派1副营长率2班固守，但敌向此点反击，他未顽强抵抗便擅撤离；经组织强炮火协同步兵猛攻，复16日8夺取该点。
蒋介石、顾祝同虽命令连日派批飞机向74师空投物资，但至16日午，该师的粮弹供应已陷绝境。原1兵团曾电告该师“铺设布板表示位置，烧烟火表示风向”，空投示意办法。但联络符号很快被华东野战军从俘虏口中获悉，亦法炮制，加敌军阵极其狭窄，因其空投物资的十八九均华东野战军所。战士边吃边放声笑：“运输队长蒋介石真不错，供应挺及哩！”
74师官兵见此情景，更是满腔怨气，有骂空军无。16日11，张灵甫一不见援兵，二不粮弹，且与1兵团的直接联系已经中断，又急又气，乃通25师的电台转告1兵团：“粮弹不必再空投了！”（《一兵团蒙东南区战役战斗详报》）
1兵团在此役惨败的《检讨》中仅列举了三条原因，除一条是形不利外，其他两条是关空投方面的：“预期须赖空运接济部队务须占领一平坦显明区，庶投掷容易，且确实接收，否则既足敌且使敌知我粮弹缺乏，增加其攻击决与勇气”“陆空联络符号须采一难仿效方法。敌我接近际，我军敷设布板符号，因其方法简单，易被敌军模仿，空军难判断，似应制较繁难方法”。（《一兵团蒙东南区战役战斗详报》）
16日中午，云低，满山烟雾，见度很差。华东野战军各部在攻占芦山，已连续奋战3昼夜，部队极度疲劳，且误74师已被全歼。有的找物资，有的抓俘虏，有的撤休息。野战军指挥机关现，报的歼敌总数与原掌握的敌军总数相差甚远，遂令各部严加搜索，结果查尚有残敌7000余人，利气象条件，隐伏孟良崮与600高间的山洼带。
16日14，华东野战军组织部队向敌74师残部最一次冲击。部队排山倒海势，从四面向山洼压。张灵甫仍指挥残部，拼力抵抗。6纵队特务团冲向设在山洞中的74师指挥所，张灵甫急令其参谋长魏振铖率领1000余人冲山腰，拼命阻击。特务团冲，即被压，又冲，又被压，经次冲击拼杀，终歼灭该敌，生擒魏振铖。
张灵甫又令卫队长率领100余人，从洞内冲，占据洞、岩缝，困兽斗。解放军奋不顾身，抵近击白刃格斗，将此敌歼灭，控制了洞口。随即集中火力向洞猛烈击，趁着弥漫的烟雾，冲进指挥所内，见尸体狼藉，血污遍，张灵甫已被击毙，手紧握着报话机。
战至16日16，国民党军整编74师及整编83师19旅57团全部被歼灭。顿“张灵甫被我打死了！”“红旗插孟良崮的最高峰了！”的欢呼声满山遍野，震动。