十六日上午，我军再次发起攻击，首先集中强大的炮兵火力，向敌军密集的山头、高地猛烈轰击。在浓烟和火光中，敌人的血肉与岩石碎片齐飞，形成一片混乱，我步兵在强大炮火掩护下猛烈冲击，越战越勇，指战员不待上级命令，哪里有敌人就向哪里冲。十六日下午，攻占了所有高地，敌军官兵纷纷就擒，猖狂一时的张灵甫及副师长蔡仁杰均被击毙，我担任突击的五个纵队的英勇健儿，会师于孟良崮、芦山顶峰，欢呼声惊天动地。
阻援战斗则是艰苦的阵地防御战。我军利用既设野战工事进行了顽强的阻击，象一座座坚固的堤坝，挡住了敌人一波又一波的冲击，敌第五军被我第十纵队箔制住;敌第十一师被我第三纵队抑留于蒙阴以北;敌第六十五师在我第一、第六纵队各一部阻击下，前进不到十公里;敌第七军第四十八师被我第二、第七纵队箔制住;敌第二十师、第六十四师被我鲁南军区地方武装牵制，未能及时赶到青驼寺。
敌第二十五师、第八十三师虽逼近我军包围圈，与第七十四师相距仅五公里左右，并对我形成炮兵火力交叉，但仍无济于事。十六日上午八时，蒋介石还抱侥幸心理，向各路增援部队亲下手令称：“山东共匪主力今已向我军倾巢出犯，此为我军歼灭共匪完成革命唯一之良机，如有萎糜犹豫，逡巡不前或赴援不力，中途停顿……必以纵匪害国贻误战机论罪，决不宽容。”但到同日下午，汤恩伯已感到大势已去，发电报给所属各部称：张灵甫师“孤军苦战，处境艰危”，各部务须击破共军包围，“救袍泽于危困”，“不得见死不救”。但无论是蒋介石的严令，还是汤恩伯的乞求，在我阻援部队顽强抗击下，都无法挽救张灵甫全师被歼的命运。
在收拢部队、清点战果之时，我电台发现孟良岗地区仍有敌人电台活动，似有残部隐匿，我们立即严令各部清查毙伤俘敌实数。根据各部报告，我发现所报歼敌数与七十四师编制数相差甚大，即今各部继续进行战场搜索。当时山雨欲来，阴云密布，能见度很低。部队在严密搜索中又发现约有七千余敌隐藏在孟良崮、雕窝之间的山谷中，已开始集结，这说明我军搜索不严，同时也说明各部均能如实报告歼敌实数，不事浮夸，才得以发现这股残敌。于是我即今第四、第八、第九纵队立即出动兜剿。各部队不顾疲劳，复又投入战斗，十六日下午五时全部肃清残敌。至此，我们的战役意图得到完全实现。蒋介石的精锐主力、嫡系中的嫡系、整编第七十四师，悉数就歼。我们取得了战役全胜。我立即打电话报告陈毅同志，陈总在电话中兴奋地说：我在电话里向全体将士们祝酒致贺!
这次战役，我歼敌三万二千余人，彻底粉碎了敌统帅部“鲁中决战”的计划，严重挫败了敌对山东的重点进攻，极大地震动了蒋军内部，有力地鼓舞了全国人民的胜利信心，配合了陕北及其他战场的胜利攻势。战役结束后，敌第一兵团司令汤恩伯被撤职，整编第二十五师师长黄百韬、第八十三师师长李天霞等也受到处分。蒋介石多次痛心疾首地说：“孟良崮的失败，是我军剿匪以来最可痛心最可惋惜的一件事”;“真是空前的大损失，能不令人哀痛”;“必须等到我们全军一番起死回生的改造之后，乃能作进一步的打算。”王耀武表示“对七十四师之失，有如丧父之痛”。
