5月11日晚，华东野战军收到了中央密电，立即呈送粟裕。 陈粟二人连夜召开了就近第1、第4、第8、第9纵队及特种兵纵队领导人作战会议，12 日晨下达了以第1、第4、第6、第8、第9纵队担任割裂围歼整74师的任务，以第2、第3、第7、第10纵队担任阻援任务的命令，并决定战役于13黄昏发起。
5月11至13日，整编第74师在整编第83，第25师掩护下自垛庄北进至黄鹿寨、旧寨、野猪旺等地，被第9纵队击退，随后占领杨家寨、佛山角、马牧池等地，准备14日攻占坦埠（这就是通过赵继统手送出的所谓‘诱敌’计划，用王牌部队整编74师冒进为饵，实施‘中心开花’战术）。
5月13日上午，敌3个师又发起攻击，至下午4时惧歼后退至黄斗顶山、重山、马牧池。当晚，华东野战军第1、第8纵队以一部兵力在整编第74师正面实旋阻击，主力从其两翼寻隙向纵深楔进。
第1纵队第3师攻占曹庄及其以北高地，逼近蒙阴，构成对外正面阻击整编第65师;纵队主力攻占黄斗顶山、尧山、天马山、界牌等要点，割断了整编第74师与整编第25师的联系，并歼整编第25师一部，该师大部缩回桃墟。
第8纵队主力攻占桃花山、磊石山、鼻子山等要点，割断了整编第74师与整编第83师的联系;一部占领盂良崮东南的横山老猫窝。同时，第4、第9纵队从正面发起攻击，占领黄鹿寨、佛山及马牧池、隋家店一线，扼制了整编第74师的进攻。
第6纵队由铜石地区急速北上，于14日晨抵达垛庄西南观上、白埠地区。13日晚，整编第74师前沿据点遭到攻击时，张灵甫电告委座“计划实施顺利，敌人已上钩。”
5月14日10时，74师向盂良崮，垛庄方向撤退，并组织一部兵力进行反击。华东野战军发现整编第74师南撤，立即乘胜猛攻。担任正面攻击的第4、第9纵队经彻夜攻击，进占唐家峪子、赵家城子一线;第6纵队在第1纵队一部协同下，于15日拂晓攻占垛庄，截断了整编第74师的退路;第8纵队攻占万泉山，同第1、第6纵队打通了联系，在芦山、孟良崮地区形成了对整编第74帅的四面包围。
整编第74师这么快被包围，蒋介石、顾祝同虽感吃惊，但认为74师所处地形有利，已控制制高点，必能坚守，按照计划左右邻加速增援，可造成与华东野战军主力决战的机会。
因此，除令整编第74师固守待援，牵制华东野战军主力外，严令新泰的整编第11师、蒙阴的整编第65师、桃墟的整编第25师、青鸵寺的整编第83师以及河阳、汤头的第7军、整编第48师等部迅速向整编第74师靠拢;并调第5军自莱芜南下，整编第20师自大汶口向蒙阴前进，企图用10个整编师的兵力在蒙阴、青驼寺地区歼灭华东野战军主力。
他在给徐州绥靖公署主任顾祝同的电报中谈到“灵甫终于给我国军寻找了一个歼灭共军陈粟部于孟良崮的大好机会。因为我74师战斗力强、装备精良，且处于有利地形；再之，有恩伯、敬久、欧震三兄兵团大军云集，正是我国军同陈粟决战的好机会，现命令74师灵甫部坚守阵地、吸引共军主力，再调10个师之兵力增援74师，以图里应外合，中心开花，夹击共军，决战一场，歼陈粟大部或一部之兵力，一举改变华东战局···”