12日晨，进犯坦埠的国民党军第1兵团主力竟日向华东野战军部队猛攻，尤以整编第74师最为猖狂，已攻占黄鹿寨、三角山、杨家寨等要点，整编第25师进至旧寨附近，整编第83师攻占野猪旺。
13日，国民党军分三路继续向坦埠以南华东野战军部队阵地猛攻，遭到华东野战军第4、第9纵队顽强抗击，黄昏时缩至黄斗顶山、杨家寨、马牧池之线。
华东野战军在打退国民党军进攻的同时，完成了出击的准备。第1、第8纵队以秘密穿插的动作入国民党军纵深，至14日上午，分别攻占了曹庄和黄斗顶山、天马山，割裂了整编第74师与其左右邻之联系。隐伏于鲁南地区的第6纵队，昼夜兼程北进，到达了垛庄西南的白埠、石兰地区。
整编第74师发现华东野战军部队已入其两翼后，即向南收缩。华东野战军部队立即向国民党军发起全线进攻。
经过激战，至15日拂晓，第6纵队在第1纵队一部的协同下，攻占了垛庄，第8纵队攻占了万泉山，3个纵队打通了联系，封闭了合围口，并构成了阻击整编第25、整编第83师的强有力的防线；正面的第4、第9纵队推进至唐家峪子、赵家城子之线，并一度攻占大碾、雕窝，将整编第74师及整编第83师一部合围在芦山、孟良崮及其以北之狭小地区内。
与主攻部队达成合围整编第74师的同时，第10纵队一部迫近莱芜第5军；第3纵队进至新泰东南地区，阻整编第11师东援；第2纵队在界湖地区向西南压迫整编第83师，并向东南构筑阻击第7军等部的坚固阵地；第7纵队在河阳东北地区牵制第7军、整编第48师的进攻，并阻击其西援；鲁南及滨海地方武装已迫近临沂，威胁国民党军后方。
整编第74师被华东野战军合围后，蒋介石等认为该师战斗力强，又占据着易守难攻的有利制高点，附近还有强大的增援兵力，是同华东野战军决战的好机会，于是一面命令整编第74师师长张灵甫坚决固守阵地，以吸引住华东野战军主力，一面急令新泰之整编第11师、蒙阴之整编第65师、桃虚之整编第25师、青驼寺之整编第83师、河阳之第7军和整编第48师火速向整编第74师靠拢，并急令莱芜之第5军南下，鲁南之整编第64师和整编第20师向垛庄、青驼寺前进，楼德之整编第9师向蒙阴增援，企图以11个整编师（军）内外夹击，歼灭华东野战军主力，解整编第74师之围。
张灵甫虽感到吃饭、饮水困难，缺少弹药，难以坚持，但认为建制完整，并居于战线中央，会得到友邻的增援，因此，一面要求第1兵团空投粮弹，一面调整部署，依托山头固守待援。在蒋介石严令督促下，其各路援兵齐向孟良崮东西地区急进。
华东野战军前委鉴于国民党军已调动了庞大兵力向孟良崮增援，近者不足10公里，远者亦仅1日至2日行程，战场形势十分严
于是，一场围歼整编第74师的阵地攻坚战开始了。华东野战军全体指战员坚决执行命令，发扬了猛打猛冲的战斗作风，忍饥耐渴，奋勇作战。