震耳欲聋的爆炸声在孟良崮上空回荡，随着战斗的结束，除了少数几个人生还外，包括师长张灵甫在内的山洞里的人都未能幸免。到了16日上午十时左右，七十四师有组织的抵抗彻底停了下来。野司原本计划在一昼夜内全歼七十四师的任务提前完成了。孟良崮地区顿时沸腾起来，战士们激动地对着天空鸣枪，欢呼胜利的到来。

对于张灵甫的死因，多年来一直众说纷纭，传得最多的是他自杀身亡。但这个“悬案”其实在战斗结束后，打扫战场时就已经有了定论。张灵甫刚刚死的时候，部队里也都传说张灵甫是用手枪打碎了自己的脑袋，因为被俘的士兵也是这样交代的。华东野战军第四纵队司令员、参加并指挥了孟良崮战役的陶勇，却对此产生了怀疑。他觉得像张灵甫这样一个重要人物的死因，一定要弄个清楚，于是就带着几个七十四师的士兵和张灵甫的保健医生，来到孟良崮600高地。由于还没有来得及打扫，那里到处都是国民党兵的尸体，已经腐烂发出恶臭。

他们在高地的尸体中寻找张灵甫的尸体，由于张灵甫穿着将官制服，所以在尸体中显得比较显眼。鉴于国民党高级将领自杀时，习惯于用手枪打太阳穴，所以他们首先检查了张灵甫的头部。验尸后，发现张的头部并没有致命伤，只是面颊擦去了一块皮，估计是被子弹击毙后摔倒所致。

解开张灵甫胸前的钮扣，发现其前胸有两个枪眼。这可以判断子弹是穿过心脏从后背飞出的，两枪眼估计是200米以外的远距离射击所造成的，而且枪眼口径也符合解放军战士使用的美制“加拿大”冲锋枪口径，所以当即就排除了张灵甫自杀的可能性。

对此，华野参谋长陈士榘一直有些遗憾，他认为当时如果采取的措施得当，是完全能够活捉张灵甫的。

得知张灵甫被击毙的消息后，作为华东野战军最高首长的陈毅，沉思片刻后作出了一个决定：找一口上等的棺材，将张灵甫就地掩埋。陈士榘能够理解陈毅的用意，就是要实行革命人道主义，体现宽广的心怀，同时这也是对敌人宣传解放军杀人放火、无恶不作的一种有力回击。

在开战前，张灵甫曾颇为自信地表示，他同共产党打了20多年的交道了，对解放军的“山大王战术”了如指掌，“你不打，他（指解放军）就跑出来捣乱觅食，一打就钻山沟。不久前他们在莱芜拣了便宜（指华野不久前取得的莱芜大捷，生俘敌将李仙洲），并不能说明他们有什么了不起，了不起的队伍是不会躲到山沟里去的。”张灵甫瞧不上被俘的李仙洲，说：“本人没有李仙洲的雅量，既不会手软，更没有礼物好送，要奉送的是一记铁拳。我要打掉陈毅的主力，把陈毅这个山大王捉拿归案。”

然而事与愿违，张灵甫不但没有抓住陈毅，最终还得靠陈毅来为他收尸厚葬。

张灵甫兵败命丧孟良崮后，有人在徐州的一家高级宾馆里，突然听到一个女人嚎啕大哭的声音，声音凄惨绝望。后来这个女人被人搀扶着下楼，大厅里也聚拢了一些人围观。听议论才知道那是张灵甫的夫人，她嘴里哭着喊：“我要去找蒋总统……” 看起来对蒋介石让其丈夫送命感到非常不满……