1947年3月，国民党军改变战略方针，由对解放区全面进攻改为对山东，陕北解放区的重点进攻。进攻山东的国民党军集中24个整编师60个旅约45万人的兵力，编成3个兵团，由陆军总司令顾祝同指挥，采取密集靠拢、稳扎稳打的战法，于4月上旬成弧形向鲁中山区推进，企图与华东野战军主力决战于鲁中或迫使其北渡黄河。华东野战军决心寻机歼灭进犯的国民党军，但除于4月下旬在泰安歼灭1个整编师外（整编第72师杨文瑔部，4月20日遭到数倍于己的解放军三个纵队的围攻，该师（欠一个旅）据守泰安城顽强抵抗，曾一度使解放军进攻受挫，但终因援军不至寡不敌众于26日覆没），由于国民党军行动谨慎而未获战机。针对上述情况，中国共产党中央革命军事委员会指示：国民党军密集不好打时，忍耐待机；一不要性急，二不要分兵，将主力集结于机动位置；只要主力在手，总有歼敌机会。华东野战军司令员兼政治委员陈毅、副司令员粟裕遵照这一指示，于5月上旬调整部署，将主力后撤至莱芜、新泰以东地区隐蔽待机。顾祝同得悉华东野战军主力撤退，即令所部向博山、沂水一线疾进。担任右翼进攻之第1兵团司令官汤恩伯不待相邻兵团统一行动，即以整编第74师为骨干，在整编第25、第83师配合下，于5月11日自垛庄、桃墟地区进攻坦埠，企图占领沂水至蒙阴公路；另以第7军及整编第48师北攻沂水，策应整74师作战。华东野战军原拟首先集中兵力，截歼孤立、暴露之国民党军右翼第7军及整48师，但由于国军战斗部署被泄露，华野11日晚获悉处于中间战线之整74师冒进，便于就近集中主力加以割歼，当即改变决心，首先歼灭该师。第2、第3、第7、第10纵队分别钳制和阻击河阳、新泰、莱芜地区的国民党军第7军、整编第11师、第5军等部，使其不能向整74师靠拢，而集中主力第1、第4、第6、第8、第9纵队，实施中央突破和断其退路，歼灭整74师于坦埠以南、孟良崮以北地区。至13日，整74师先后占领杨家寨、马牧池等地。当晚，华东野战军担任迂回穿插任务的第1、第8纵队，分由整74师的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，构成对蒙阴整65师的正面阻击。该纵队主力则攻占黄斗顶山、天马山、界牌等要点，切断整74师与整25师的联系。第8纵队攻占桃花山、磊石山、鼻子山等要点，切断了整74师与整83师的联系，一部占领孟良崮东南之横山、老猫窝。与此同时，第4、第9纵队从正面发起攻击，占领黄鹿寨、佛山、马牧池、隋家店一线。第6纵队从鲁南铜石急速北进，于14日晨抵达观上、白埠地区。整74师在其外围各要点失守后，仓促向孟良崮、垛庄收缩；华东野战军随即加速进攻。第4、第9纵队经彻夜猛攻，进至唐家峪子、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，切断整74师的退路；第8纵队攻占万泉山，同第1、第6纵队打通联系，形成对整74师的四面包围。整74师被围后，蒋介石一面命令该师固守待援，一面严令整编第11、第65、第25、第83师以及第7军、第84师等部，迅速向整74师靠拢，企图在蒙阴、青舵寺地区合击华东野战军主力。此时，向孟良崮增援的10个师多数只距离孟良崮一至两天行程，情况十分紧急。华东野战军严令阻援部队坚决阻住援军，主攻部队经调整部署后，定于15日下午发起总攻。
盂良崮主峰向西北连接两个540高地，西北端为520高地；其东南为芦山，东为雕窝，东西长约10公里，向北岗峦起伏直抵汶河，向南4公里为临（沂）蒙（防）公路，该山区山峰陡峭，多悬崖绝壁，山上无水，草木甚少。整编第74师师长张灵甫在向南突围未遂后，即以第58旅扼守主峰、芦山、雕窝高地；以第5l旅扼守520与两个540高地；第57旅位于两旅之间的570（史称600）高地：师指挥所位于东540高地，企图凭险固守，并致电国民党军统帅蒋介石求援。蒋介石认为此乃与华东野战军决战的良机，遂令张灵甫率部固守，并令空军空投粮弹，同时令整编第25、第83师等10个整编师（军）向孟良崮增援。华东野战军司令员兼政治委员陈毅，为迅速歼灭整74师，于当日13时调整部署后，即令部队发起总攻。第9纵队一部在炮火支援下，于16日8时攻占雕窝。第4纵队一部于攻占330、高地后，首先楔入520高地与西540高地之间，切断守军退路，连续打退守军4次反击，与第1、第9纵队各一部于午夜占领520高地，歼守军大部，其余部撤向540高地。各部继向西540高地发起攻击。第4纵队一部攀登陡峭山坡，从侧后插上西540高峰，突然向守军发起攻击，守军急速向东540高地溃退。张灵甫被迫率指挥所转至570高地；—16日拂晓，整编第74师以1个连至1个团兵力在猛烈炮火掩护下，向西540高地进行连续反击，第4纵队坚守部队伤亡较大，在十分危急之际，第1、第4纵队各一部赶到，将敌击溃。第9纵队向东540高地攻击的部队遭守军优势兵力的反击，攻击受挫。期间第8、第6纵队于歼敌一部后，正向芦山攻击前进。在解放军的猛烈攻击下，整74师伤亡惨重，伤员、勤杂人员、骡马、辎重满山遍野，阵地已逞混乱。国民党空军投下的大批粮弹，多为解放军所获。蒋介石严令督援的8个师又2个旅，于16日上午开始向孟良崮山区靠拢，又为解放军的阻援部队所阻击。此时，第9纵队继续以一部兵力由正北和东北向东540高地攻击，一部向570高地和孟良崮主峰攻击。13时，第4纵队主力附山炮5门，向东攻击540高地，第6纵队一部亦由南向东540高地攻击，战至14时，攻占该高地，守军第51旅大部被歼。第8纵队和第6纵队一部于13时攻占芦山，歼守军第58旅3000余人。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蔡仁杰,旅长卢醒等集体自戕！
有“抗日名将”之称的张灵甫受到了解放军的“厚葬”。当时担任华野6纵政治部副主任的谢胜坤主持了仪式。一棵古树下，放着一口半人高的大棺材。棺材是买来的，十分华贵。棺材旁边停放着张灵甫的尸体，已经为他穿好簇新的军装，洗过脸，伤口也整饰过了。由于当时没有找到合适的国民党军服，张灵甫是穿着解放军的军服下葬的。掩埋张灵甫前，谢胜坤向上级请示：俘虏中的一个少将旅长和8个上校要求最后看一眼他们的师长张灵甫。“大家都觉得，他们跟着张灵甫出生入死，这种感情难能可贵，就同意了。”9个国民党将校走到担架旁边，围成半月形，跪下，痛哭流涕。
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！”
张灵甫将军是一个爱国者。在抗日战争中带领部队打过无数硬仗、恶仗和胜仗，多次负伤，身经百战，九死一生。作为许多中国当代新人，可能只知道张灵甫及其74师（抗日战争期间称74军）在孟良崮战役中被陈毅、粟裕将军指挥的华东野战军全歼这一国共内战历史上的经典战例，而对于张灵甫将军在此之前的其他生平事迹，尤其是张灵甫在抗战期间参与的许多和日寇军队正面进行的恶仗和硬仗却知之甚少。张灵甫所在的74军在解放战争前是一支抗日英雄部队，在军长王耀武将军的率领下几乎参加了抗战8年内所有国民革命军针对日军的重大战役，毙伤日寇无数，屡挫日军精锐，创造了全国闻名的德安大捷，被誉为“抗日铁军”。如果这段历史不为后人所知，那么对于壮烈牺牲殉国和流洒过鲜血的抗日英烈们显然是不公平的，这也是最令国人痛心疾首的事情。作为有良知的中国人，我们有责任把这段真实的历史昭告中国的后人们，使他们对于发生在60多年前那段中华民族的苦难历程有一个比较全面的了解和认识。作为历史唯物主义者，我们不应只以意识形态和个人成败论英雄，能够从历史的高度上客观、全面地评价张灵甫将军作为一名职业军人的一生所为，方不失为偏颇。
“兴起于军旅，而死于行伍，此为天经地义之事。”可谓张灵甫一生命运的概括。
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