在解放军的猛攻下，整74师余部被迫收缩于孟良崮、570高地及其间的凹地，隐蔽进行整顿和组织顽抗。第4、第6、第8、第9纵队合力总攻，战至17时，将国民党军精锐“五大主力”之一整编第74师全部歼灭，师长张灵甫被击毙。与此同时，第10纵队逼近莱芜，阻击第5军;第3纵队于新泰至蒙阴公路上，阻击整编第11师;第2、第7纵队在青舵寺阻击整编第48师、第83师，歼其一个团;鲁南、滨海地方武装逼近临沂，威胁国民党军后方，各阻援部队均达成阻击目的，有力地保障了主攻部队歼灭整74师。

孟良崮战役胜利的意义，正如当时新华社所评述的：打击了蒋介石最强大的进攻方向;打击了蒋介石最精锐的部队。这一打击又出现于解放区举行全面反攻的前夕，因而，具有特殊重大的影响。毛泽东称赞说，歼灭整编74师，“付出代价较多，但意义极大”。敌人由于损失了进攻山东的一支重要骨干力量，内部受到很大震动，被迫暂时停止了对山东的进攻。蒋介石哀叹该师被歼是他“最可痛心、最可惋借的一件事”。第一兵团司令官汤恩伯因此被撤职。

此战，华东野战军以百万军中取上将首级的气魂，在广大人民的大力支援下，一举全歼国民党军精锐“五大主力”之一整编第74师，沉重打击了国民党军队，粉碎了国民党军对山东的重点进攻。此战创造了我军在敌重兵集团密集并进的态势下，从敌战线中央割歼其进攻主力的范例。这一战役的胜利，是在诱敌深入。持重待机，最大限度地集中兵力于能应付各种可能情况的机动位置这一指导思想下取得的。

关键的一着在于，前线指挥员粟裕善于分析敌情的变化，适时而准确地看出了强敌在一定条件下出现了致命的弱点，从而当机立断，迅速抓住战机，毫不犹豫地定下“虎口拔牙”的决心;在战役指导上，做到因时因地制宜，改变了攻歼侧翼之敌的习惯战法，果敢地采取了“中间突破”的大胆行动：利用山区的复杂地形，隐蔽地楔入敌人纵深，集中优势兵力实施分割包围，连续攻击，不给敌人以喘息整顿的机会;并且严密组织了主攻兵团与阻援兵团的配合与协同，从而达成了全歼和速决。国民党军的战史在评述这一战役时说：共军“在我军云集区内……竟能大胆集中兵力，围攻我七四师，此诚一般始料所不及，亦造成奇袭之基本原因。”此战共歼灭国民党军32680人，其中俘敌19680人，毙敌13000人，华东野战军伤亡1.2万余人。

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