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，解放军一纵切断黄伯韬、张灵甫之间的联系。八纵、九纵形成包围之势。 黄伯韬见状危急，急率整25师前来支援。张灵甫向黄伯韬撤退。解放军切断(整)七十四师退路，张灵甫向黄伯韬靠拢。 张灵甫被优势解放军压迫，孟良崮乃光秃秃之石山，山上无水。国军水冷式马克沁机枪，无水不能发挥威力。解放军弹密如飞蝗，射击在石头上，跳弹横飞，一弹连伤数人。(整)七十四师损伤惨重……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，张灵甫在发完最后一份电报后与副师长仁杰,旅长卢醒等集体自戕!

1947年8月由人民解放军华东野战军政治部编印的《蒋军七十四师的调查研究》一书中(五.内战时期——从参加内战到孟良崮全军覆没)记载：“5月12日自垛庄北犯我坦埠，企图攻略沂水，甫遭接触，即南窜孟良崮山区，我野战大军加以重重包围，于5月16日，全歼该顽于孟良崮。除张灵甫、蔡仁杰、卢醒等自杀及战斗中击毙七千余名外，其官兵万五千人悉数被俘。”张灵甫在战死前有遗书：“十余万之匪向我猛扑，今日战况更趋恶化，弹尽援绝，水粮俱无。我与仁杰决战至最后一弹，饮诀成仁，上报国家与领袖，下答人民与部属。老父来京未见，痛极!望善待之。幼子望养育之。玉玲吾妻，今永诀矣!”

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