12日晨，進犯坦埠的國民黨軍第1兵團主力竟日向華東野戰軍部隊猛攻，尤以整編第74師最為猖狂，已攻佔黃鹿寨、三角山、楊家寨等要點，整編第25師進至舊寨附近，整編第83師攻佔野豬旺。
13日，國民黨軍分三路繼續向坦埠以南華東野戰軍部隊陣地猛攻，遭到華東野戰軍第4、第9縱隊頑強抗擊，黃昏時縮至黃斗頂山、楊家寨、馬牧池之線。
華東野戰軍在打退國民黨軍進攻的同時，完成了出擊的準備。第1、第8縱隊以秘密穿插的動作入國民黨軍縱深，至14日上午，分別攻佔了曹庄和黃斗頂山、天馬山，割裂了整編第74師與其左右鄰之聯繫。隱伏於魯南地區的第6縱隊，晝夜兼程北進，到達了垛庄西南的白埠、石蘭地區。
整編第74師發現華東野戰軍部隊已入其兩翼後，即向南收縮。華東野戰軍部隊立即向國民黨軍發起全線進攻。
經過激戰，至15日拂曉，第6縱隊在第1縱隊一部的協同下，攻佔了垛庄，第8縱隊攻佔了萬泉山，3個縱隊打通了聯繫，封閉了合圍口，並構成了阻擊整編第25、整編第83師的強有力的防線；正面的第4、第9縱隊推進至唐家峪子、趙家城子之線，並一度攻佔大碾、雕窩，將整編第74師及整編第83師一部合圍在蘆山、孟良崮及其以北之狹小地區內。
與主攻部隊達成合圍整編第74師的同時，第10縱隊一部迫近萊蕪第5軍；第3縱隊進至新泰東南地區，阻整編第11師東援；第2縱隊在界湖地區向西南壓迫整編第83師，並向東南構築阻擊第7軍等部的堅固陣地；第7縱隊在河陽東北地區牽制第7軍、整編第48師的進攻，並阻擊其西援；魯南及濱海地方武裝已迫近臨沂，威脅國民黨軍後方。
整編第74師被華東野戰軍合圍後，蔣介石等認為該師戰鬥力強，又佔據著易守難攻的有利制高點，附近還有強大的增援兵力，是同華東野戰軍決戰的好機會，於是一面命令整編第74師師長張靈甫堅決固守陣地，以吸引住華東野戰軍主力，一面急令新泰之整編第11師、蒙陰之整編第65師、桃虛之整編第25師、青駝寺之整編第83師、河陽之第7軍和整編第48師火速向整編第74師靠攏，並急令萊蕪之第5軍南下，魯南之整編第64師和整編第20師向垛庄、青駝寺前進，樓德之整編第9師向蒙陰增援，企圖以11個整編師（軍）內外夾擊，殲滅華東野戰軍主力，解整編第74師之圍。
張靈甫雖感到吃飯、飲水困難，缺少彈藥，難以堅持，但認為建制完整，並居於戰線中央，會得到友鄰的增援，因此，一面要求第1兵團空投糧彈，一面調整部署，依託山頭固守待援。在蔣介石嚴令督促下，其各路援兵齊向孟良崮東西地區急進。
華東野戰軍前委鑒於國民黨軍已調動了龐大兵力向孟良崮增援，近者不足10公里，遠者亦僅1日至2日行程，戰場形勢十分嚴峻，即令各阻援部隊準備打擊強大的國民黨援軍，同時令各主攻部隊對被圍之整編第74師加速猛攻，不惜任何代價，一定要在各路國民黨援軍趕到前，徹底殲滅整編第74師。各部立即傳達了這一決心，並採取各種方式廣泛展開了戰場鼓動工作。
於是，一場圍殲整編第74師的陣地攻堅戰開始了。華東野戰軍全體指戰員堅決執行命令，發揚了猛打猛衝的戰鬥作風，忍飢耐渴，奮勇作戰。