张灵甫发觉被围之后，曾向第一兵团司令长官汤恩伯请求命令李天霞部火速增援。李天霞受命之后，仅派出一个团，冒充旅部番号，进至沂水西岸，最终还是把沂水西岸的阵地丢了，导致张灵甫的一个旅被共产党军队分割出去。张灵甫在电话里向李天霞的一位团长发火，说他已经禀报国防部，整编七十四师的右翼要是出了事，整编八十三师要负责。李天霞顺水推舟，立即命令这个团归张灵甫指挥。可是，他同时又给他的团长打去电话，暗示部队遇到情况就撤退。这还不算完，李天霞的整编八十三师不但没有再向孟良崮靠近一步，而且主力开始全部向东收缩，最终与整编七十四师拉开了一段无法弥合的距离。

在蒋介石的严厉催促下，十五日，汤恩伯离开临沂前往孟良崮前线。走到半路，碰见刚从孟良崮跑出来的兵团副司令长官李延年。李延年对汤恩伯说“七十四师现在很狼狈”，劝汤恩伯不要再向前走了，因为垛庄已经被共产党军队占领，一旦陈毅、粟裕部掉头南下就麻烦了。汤恩伯立即返回了临沂。

此刻的孟良崮战场，阵地全部是呈四十五度角的陡峭而坚硬的石坡，无论对于守方还是攻方，都足以令最勇敢的士兵生畏。岩石上无法挖掘战壕和掩体，仰面攀登上去，双方相互发现的时候枪口都已经近在眼前了。

十五日黄昏，整编七十四师已被压缩于东西三公里，南北两公里的狭窄山地间，人员、马匹和辎重全部密集地暴露在共产党军队的炮火打击范围之内，一颗炮弹就能造成惊人的伤亡。时值盛夏，石山坚硬，寸草不生，水源奇缺，国民党军飞机空投的粮食、水囊、弹药大多落在外围共产党军队的阵地上。张灵甫的数万官兵饥渴难支，疲惫不堪，伤亡惨重。在残酷的战斗中，整编七十四师官兵头顶烈日，向九纵控制的地域发起冲击以争夺水源，九纵的一个连誓死不让国民党军接近水源，在拉锯般的残酷争夺战中这个连的官兵全部伤亡，双方官兵的尸体布满了水源四周。

死尸的味道和硝烟的味道混合在一起，在炽烈的高温中弥漫。

晚上，张灵甫转移到孟良崮上的一个山洞里，微弱的烛光映在黑黢黢的石壁上，张灵甫再次向汤恩伯呼叫请求迅速解救。汤恩伯要求张灵甫主动向万泉山方向突围。张灵甫的回答是：本部已无力向万泉山实施攻击。然后，张灵甫给仍在阵地上的五十七旅旅长陈嘘云打电话，要他撤到师部这边来，张灵甫说：“嘘云，我们最后也要在一块。”