15日13時，華東野戰軍各部從四面八方發起總攻後，國民黨軍第74師憑藉強大炮火拚力抵抗，戰況空前激烈，每一個陣地，每一寸土地，都要經過多次反覆爭奪。華東野戰軍的指戰員們不怕犧牲，浴血奮戰，越戰越勇，相繼攻佔雕窩、大碾等要點，逼近孟良崮。整編74師在抵抗無效後，傾盡全力企圖突圍，先向南，被第6縱隊打回，後向西，被第1縱隊頂住，再向東，又被第9縱隊攔截。第74師橫衝直撞，處處碰壁，被迫於15日晚麇集於孟良崮、蘆山以及600高地等幾個山頭上。
孟良崮是蒙陰山區著名的72崮之一，四周陡壁，地勢險峻。第74師防禦均在岩石山地，難以構築工事，人馬輜重堆集山頭，暴露於外；時值夏天烈日當頭，溪流乾涸，水斷糧缺，彈藥不足，空投的物資又大多落在陣地外面。士兵們餓無食，渴無水，軍心動搖，怨聲四起，但張靈甫仍組織部隊，企圖固守待援。
對此，國民黨軍第1兵團在戰後的《檢討》中認為把大軍集結於孟良崮一帶乃一大失策，「如孟良崮之孤立岩石重山，工事構築困難，人馬炮火又無遮蔽，尤以缺乏水源，使戰鬥不能持久。故此類陣地以限於小部隊佔領為警戒陣地或一翼之依託為宜」。（《第一兵團蒙陰東南地區戰役戰鬥詳報》）
15日夜，華東野戰軍首長在獲悉第74師的上述企圖和各路援軍急切迫近的情況後，命令各攻擊部隊堅決連續衝擊，一定要在敵軍援兵趕到之前，徹底消滅74師。當時任第1縱隊司令員的葉飛在戰後的總結中，特別談到當時面臨的嚴峻情況，他說：「如在16日不能解決問題，我們只好撤退；而如果撤退，由於我們已搞得精疲力竭，沂水等地都要丟掉，可能還要長征；因此指揮部曾嚴格命令，要求各級要嚴加督促，於16日消滅第74師，即使犧牲兩個縱隊，也要迅速解決問題。」
各部按照上述命令，立即集中強大炮火，向第74師的陣地猛烈轟擊，山上彈片飛舞，碎石騰空，火光衝天。74師建制被完全打亂，指揮失靈，人馬混雜，互相踐踏。華東野戰軍乘機突入第74師陣地，與敵展開白刃格鬥，頓時血肉橫飛，屍體遍地。16日6時，74師參謀長向湯恩伯報告：「15日夜，終宵戰鬥，敵我傷亡均極慘重，請空投糧彈，並望援軍速進。」（《第一兵團蒙陰東南地區戰役戰鬥詳報》）
激戰至16日8時，第9縱隊等部再次攻佔雕窩，又相繼攻佔520、540高地，13時攻佔蘆山。關於雕窩的得失情況，第9縱隊在戰後總結中是這樣寫的：該縱隊於15日11時攻佔雕窩後，即派1個副營長率2個班固守，但當敵向此點反擊時，他未作頑強抵抗便擅自撤離；後經組織強大炮火協同步兵猛攻，復於16日8時奪取該點。
蔣介石、顧祝同雖命令連日派出大批飛機向74師空投物資，但至16日上午，該師的糧彈供應已陷於絕境。原來第1兵團曾電告該師以「鋪設布板表示位置，燒煙火表示風向」，為空投示意辦法。但這個聯絡符號很快被華東野戰軍從俘虜口中獲悉，亦如法炮製，加上敵軍陣地極其狹窄，因而其空投物資的十之八九均為華東野戰軍所得。戰士們邊吃邊放聲笑道：「運輸大隊長蔣介石還真不錯，供應挺及時哩！」
74師官兵見此情景，更是滿腔怨氣，只有大罵空軍無能。16日11時，張靈甫一不見援兵，二得不到糧彈，且與第1兵團的直接聯繫已經中斷，又急又氣，乃通過第25師的電台轉告第1兵團：「糧彈不必再空投了！」（《第一兵團蒙陰東南地區戰役戰鬥詳報》）
第1兵團在此役慘敗後的《檢討》中僅列舉了三條原因，除第一條是地形不利外，其他兩條都是關於空投方面的：「預期須賴空運接濟之部隊務須佔領一個平坦而顯明之地區，庶投擲容易，且能確實接收，否則既足敵且使敵知我糧彈缺乏，增加其攻擊決心與勇氣」「陸空聯絡符號須採用一時難以仿效之方法。敵我接近之際，我軍敷設布板為符號，因其方法簡單，易被敵軍模仿，空軍難以判斷，似應製作較為繁難之方法」。（《第一兵團蒙陰東南地區戰役戰鬥詳報》）
16日中午，天陰雲低，滿山煙霧，能見度很差。華東野戰軍各部在攻佔蘆山後，已連續奮戰3個晝夜，部隊極度疲勞，且誤以為第74師已被全殲。有的去找物資，有的去抓俘虜，有的撤下來休息。當野戰軍指揮機關發現，上報的殲敵總數與原來掌握的敵軍總數相差甚遠，遂令各部嚴加搜索，結果查出尚有殘敵7000餘人，利用當時氣象條件，隱伏於孟良崮與600高地之間的山窪地帶。
16日14時，華東野戰軍組織部隊向敵第74師殘部發起最後一次衝擊。部隊以排山倒海之勢，從四面向山窪壓來。張靈甫仍指揮殘部，拼力抵抗。當第6縱隊特務團沖向設在山洞中的第74師指揮所時，張靈甫急令其參謀長魏振鋮率領1000餘人衝到山腰，拚命阻擊。特務團衝上去，即被壓下來，又衝上去，又被壓下來，經過多次衝擊拼殺，終於殲滅該敵，生擒魏振鋮。
張靈甫又令衛隊長率領100餘人，從洞內衝出，佔據洞穴、岩縫，作困獸之鬥。解放軍奮不顧身，以抵近射擊和白刃格鬥，將此敵殲滅，控制了洞口。隨即集中火力向洞里猛烈射擊，趁著瀰漫的煙霧，衝進指揮所內，只見屍體狼藉，血污遍地，張靈甫已被擊斃，手裡還緊握著報話機。
戰至16日16時，國民黨軍整編第74師以及整編第83師第19旅第57團全部被殲滅。頓時「張靈甫被我們打死了！」「紅旗插到孟良崮的最高峰了！」的歡呼聲滿山遍野，震天動地。