民国三十六年（1947年）5月16日下午3时，华野六纵特务团攻上孟良崮，歼灭整编第74师师部于所在山洞，貌似国民党军“五大主力”之首已经全军覆灭。华野战士们非常兴奋，有的举枪对空射击表达喜悦之情，有的忙着打扫战场，有的在清点俘虏和缴获的武器装备，总之全军上下激动不已。
此时孟良崮周边的天上地下却是“山雨欲来风满楼”，从天气上看，一场大雨即将到来，满山浓雾能见度极低；从战场环境上看，敌人十个整编师近30万大军正合围而来，精疲力尽的华野主力确有被反包围之虞，形势极为凶险。
当时向孟良崮地区集结的四面之敌计有：距离最近的是位于南面桃墟的黄百韬整25师、青驼寺的李天霞整83师，从北面扑来的有从新泰南下的胡琏整11师、从莱芜出动的邱清泉整5师、蒙阴的整65师以及从大汶口向蒙阴疾进的整20师。
除此之外，蒋介石还严令桂系的整7师、整48师从汤头、河阳地区向西推进，企图趁华野苦战三天三夜伤亡较大、粮弹两缺的当口，在蒙阴地区与其决战。因此，无论是从天气情况还是敌情情况，都要求华东野战军迅速撤出战斗，转移至安全区域休整。
但是华野副司令员粟裕却异常冷静，原本他在酝酿歼灭整74师的战斗结束后，再寻歼黄百韬或者李天霞两师的其中一个，就在酝酿作战计划时，华野情报部门突然发现孟良崮山区仍有敌人电台活动。陈粟立即下令各纵火速上报歼敌数字，以便核对。
核来核去，与整74师参战的32000人怎么也对不上，至少相差7000余人，而此时敌情更急，整25师距离孟良崮只有一山之隔，其它各整编师也兼程而来。然而粟裕仍然保持了相当的冷静，命令在山上的部队进行严密搜索，并以陈粟的名义通令部队：“不许放走张灵甫的一兵一卒”。
果然，在孟良崮和雕窝之间的山谷里，发现了7000多残敌，原来这就是被华野分割在孟良崮山下的整74师整编第57旅大部。解放军命令敌人投降，整57旅开火顽抗，粟裕即调四纵、八纵、九纵参与围歼，整57旅本来就没多少弹药了，历经三小时战斗，到下午6时全歼该敌。
此时大雨倾盆而下，而援敌也猥集成团不易分割，粟裕决定放弃第二期作战计划，指挥部队押着俘虏从容撤出战斗，后撤至坦埠及马牧池一线休整。而援敌复占孟良崮之后，因摸不清我军动向以及暴雨所阻，遂全线转入防御，孟良崮战役胜利结束。
战役期间共血战四天之久，未降一滴雨水，整74师覆亡后却暴雨倾盆，被俘的国民党军官仰天长叹不止。而粟裕在战役进行中虽然保持着冷静的头脑和指挥，其实却承担着巨大的心理压力，战后一量血压，高压高达220。
