南京调9个师增援整编第七十四师，下令其固守，企图与华东野战军决战；华东野战军在孟良崮一带包围整编第七十四师。5月16日，国军各路援军均被阻于孟良崮附近；华东野战军发起对孟良崮总攻，至下午5时，全歼整编第七十四师3.3万人。国军第七十四师（五大主力之首）张灵甫（王耀武旧部），覆没于孟良崮，师长张灵甫等集体自戕。为第二次国共内战中表现最现最悲壮一幕，综计当时国军投入于中原战场的，凡50万人以上，但所得战果，并不如理想。5月19日，蒋飞徐州，与顾祝同研讨山东军事，决定各部暂驻原防，全面整训，改正战术，准备最后决战