当日，华野副司令员粟裕根据敌机的空袭和当面的敌情做出如下判断：

敌企图以整编第七十四师为骨­干­，以整编第二十五师、第八十三师为左右翼进行掩护，实施中央突破，矛头直指我华野指挥机关。

粟裕根据汤恩伯兵团的进攻部署和张灵甫部态势较为突出，已与左右翼有一定间隙的敌情，提出改变原先歼击汤兵团之最右翼第七军及整编第四十八师的计划，改打中路强敌整编第七十四师，采取正面突出，分割两翼，断敌退路。四面包围和阻击南北各路援敌的战法，将整编第七十四师从敌重兵集团中割裂出来，予以围歼。

陈毅十分赞同粟裕的方案，当即果断决定：

迎歼整编第七十四师于坦埠以南，孟良崮以北地区。

前委定下作战方案之后，做出如下战役部署：

以第一、四、八、九、六，五个纵队（16个师）担任主攻围歼任务。第一纵队（含独立师）分割敌七十四师与敌二十五师、蒙­阴­敌六十五师的联系，并向敌七十四师左翼突击。第八纵队分割敌七十四师与青驼寺敌八十三师的联系，并向敌七十四师右翼突击。隐伏于鲁南敌后的六纵队，从平邑东南的铜石向东北疾进，协同第一纵队攻占垛庄，切断敌七十四师后路，尔后会同第一、四、八、九纵队围歼敌七十四师。第一、六、八纵队均须构成对内和对外两个有力正面。

以第十、三、二、七，四个纵队担任阻援任务。

第十纵队阻击莱芜之敌第五军；第三纵队阻击新泰之敌十一师；第七纵队配属一个榴弹炮团陆击河阳之敌第七军、四十八师；二纵队保障第八纵队侧翼，同时呼应第七纵队作战。

特种兵纵队（含榴弹炮团）集结与沂水、下位间待命参战。

鲁南军区地方武装，向敌八十三师侧后进击，截断青驼寺临沂公路，并以一部袭扰临沂，牵制敌人。

战役定于13日晚发起。

集结于坦埠一带的解放军共两个纵队，近50000人。

华东野战军投入战役的5个纵队16个师，共10余万人，总兵力是整编第七十四师的4倍以上。