炸得敵人心驚膽戰。
一向号稱訓練有素、作戰有方的敵七十四師，在華野炮兵的打擊下，失去指揮，隊不成形，變為烏合之衆。
敵五十一旅旅長陳傳鈞看到這般情景，急得把望遠鏡扔在地上，氣得把作戰地圖撕得粉碎，連聲歎道：“這下子我可就要暴屍荒山野嶺了！”
華野主攻部隊以神勇無敵的氣概向孟良崮敵七十四師殘部猛撲。
在嘹亮激昂的沖鋒号聲中，華野部隊從四面八方像潮水般擁向孟良崮主峰。
漫山遍野都響徹華野部隊雄壯的口号聲：
“打下孟良崮，活捉張靈甫！”
“活捉張靈甫，打爛王牌虎！”
張靈甫在孟良崮主峰的一個山洞中，聲嘶力竭地向二十五師師長黃百韬、八十三師師長李天霞呼救：“李師長、黃師長，趕快向我靠攏，趕快向我靠攏……看在黨國的分上，拉兄弟一把吧！”
平日驕橫自負的張靈甫，此時顧不得什麼體面了，發出絕望的哀号！
六縱特務團首先突破孟良崮西側，直取敵七十四師指揮所盤踞的山洞。
他們剛剛打上孟良崮主峰，便遭到一千多敵人的拼死反撲。
于是，他們集中所有輕重機槍向敵猛烈掃射，沖入敵陣展開白刃戰，當即全殲該部。
敵率領殘部反撲的參謀長魏振铖被華野生俘。
特務團三連沖到洞口，張靈甫衛隊二十多人剛要露出頭，立即被殺傷。
但就在這洞口沖殺的瞬間，三連指導員邵志漢英勇犧牲了。
戰士們向洞内猛掃猛投複仇的機槍子彈、手榴彈，随着洞内敵人發出慘死的号叫聲，一切抵抗停止了。
他們沖進洞内，發現戴着中将軍銜的敵師長張靈甫已經被華野的湯姆槍子彈擊中，倒在血泊之中。
與張靈甫同時在洞中被華野特務團擊斃的還有：敵七十四師副師長蔡仁傑，敵五十八旅旅長盧醒、副旅長明燦、團長周安義……
張靈甫一夥被擊斃之前，曾以無線電告知蔣介石，訴說友軍見死不救，對李天霞沒有派出部隊掩護七十四師右側的做法極為不滿，并說這是導緻七十四師失敗的主要原因。
随後，他将指揮所的副師長以下、團長以上軍官的姓名報告了蔣介石，決心“集體自殺，以報校長培育之恩”。
電報發出後，副師長蔡仁傑、五十八旅旅長盧醒拿出老婆和孩子的照片，泣不成聲，不肯自殺；副參謀長李運良假裝自殺，弄得滿臉血污，卧在石洞外裝死。
我軍在收攏部隊、清點戰果時，發現被擊斃、俘虜人數比七十四師編制數少得多，遂命令各部進行戰場搜索，不讓一個敵人漏網。
此時，黑雲蓋天，山雨欲來，能見度極低，搜索部隊在孟良崮與雕窩山之間發現了數千敵人。
粟裕即令第四、八、九縱隊出動兜抄，至下午5時全部肅清。
至此，敵七十四師徹底被殲滅。
粟裕打電話向陳毅報告以上情況，陳毅在電話裡興奮地說：“我在電話裡向全體将士緻敬！”
華野僅用了三天時間，以傷亡1.2萬人的代價，全殲了擁有全副美式裝備、号稱“國軍模範”“常勝鐵軍”“禦林軍”的國民黨王牌主力——整編第七十四師。
幾天後，陳毅為歌頌指戰員血戰孟良崮的事迹，特賦詩一首：
孟良崮上鬼神号，七十四師無地逃。
蔣賊專橫嗟命薄，美帝侵略徒空勞。
華東戰場捉籠鳥，沂蒙山區似虎牢。
原野麥黃家家足，人民軍隊膽氣豪。
敵七十四師全軍覆沒的消息傳到南京後，如同晴天霹靂震動了整個國民黨統治中心。
蔣介石痛心疾首、老淚縱橫，他再三哀歎：“以我絕對優勢之革命武力，竟為劣勢烏合之匪衆所陷害，真是空前大的損失！”七十四師覆滅後不久，國民黨政府在南京玄武湖畔為七十四師和張靈甫立了一塊紀念碑，上書“殺身成仁”四個血紅的大字。
蔣介石還特地為張靈甫頒發了第三号“旌忠狀”，并下令将山東蒙陰縣改名為靈甫縣，還将一艘驅逐艦命名為“靈甫号”。
6月9日，華野為在孟良崮戰役中放下武器的原敵第七十四師将校軍官舉行時事座談會，陳毅和到會者見面，一一握手并緻以慰問。
當将校們談到七十四師失敗的原因時，陳毅說：“曆來國民黨軍失敗均歸咎于國防部、歸咎于陳誠。
我在此替陳誠分辯幾句，其實陳誠本人也很難做主，一切都有蔣介石老頭子緊緊控制着。
”談到蔣軍失敗的原因，陳毅說：“蔣介石在北伐中期叛變人民，走上法西斯獨裁專政的道路。
蔣介石的這一條反人民的錯誤政治路線，必然産生錯誤的戰略路線。
在蔣介石獨裁媚外的政策與戰略的雙重錯誤下，國民黨軍隊遭受失敗是必然的。
例如，貴軍在抗戰中的戰功表現很好，戰鬥力亦堪為國民黨軍隊之冠。
可是一到内戰戰場，仍然逃不脫被殲的命運。
各位應深深研究其中的原因。
”陳毅又說，“各位此來，我應負責照料大家、愛護大家。
貴師長張靈甫、副師長蔡仁傑之犧牲，毫無意義，應該惋惜。
對于能夠留在解放區内好好研究問題、重新認識問題，各位應視為平生最大幸事。
我們能幫助你們的地方，一定盡量幫助你們，絕不為難。
”
敵整編第七十四師班長以上官佐，除被擊斃和擊傷送醫者外，都被集中到了俘管處。
這就形成了七十四師一個較完整的建制俘虜軍官集體。
七十四師是蔣軍“精銳之精銳”“建軍模範”，研究該師就可了解蔣軍一般主力部隊的輪廓與特點。
華野覺得，這不僅有利于對俘虜的審查教育，而且是一個從俘虜中獲取重要情報、研究敵軍、知彼知己、以戰教戰的極好機會。
華野決定對七十四師的被俘官佐提高一級審俘待遇，班長當尉官、尉官當校官處理，詳細審訊與調研。
由華野聯絡部長吳憲同志牽頭，并參照繳獲的文件資料，分曆史沿革、組織編制、官兵成分與素質、官兵訓練、新兵補訓與殘部概況、參謀補給、衛生業務、參加戰役經過及檢讨、慣用戰法、政治情況與“政治”工作共十個專題，經三個星期的突擊，寫成了一本十萬餘字的《蔣軍七十四師的調查研究》，由鐘期光題寫書名。
朱總司令得悉索要該書。
除此之外，俘管處還組織七十四師被俘官兵進行訓練、作戰表演，讓華野官兵來參觀；指揮部将《蔣軍七十四師的調查研究》下發部隊，發動全野戰軍研究七十四師，洞悉敵軍的長處與短處，改進華野的戰術技術。
這對後來華野的作戰勝利産生了良好的影響。