黄伯韬兵团在碾庄圩区被解放军合围，蒋介石命令黄伯韬固守待援。碾庄圩区位运河西，陇海路两侧。碾庄圩中，共有十几村庄。其周围是平原阔低洼、水塘。路宽广、村庄稠密。防洪水泛滥，每村庄修筑有高面二尺三寸的围子。该区原李弥3兵团的防，已经形了比较完整的防御阵。黄伯韬兵团退守该，利些工有利的形，迅速筑堡群骨干，并有纵横错的支撑点，村与村间又兵力、火力相互支援，易守难攻。黄伯韬碾庄圩中，部署100军在西，44军在南，64军在东，25军在北，形集团式环形防御阵，实施固守。述4军中，25、64军战斗力较强，100、44军战斗力较弱。
蒋介石的各路援军在解放军强打援部队的顽强阻击，与黄伯韬合的梦破灭了。
华东野战军担任围歼黄伯韬兵团的6纵队，从11月11日，从四面八方向敌展猛攻。敌人在空军掩护逐村顽抗。各纵队由从追击仓促转入村落攻坚，准备不足，火炮均未跟，致连续3进展缓慢，伤亡较。
14日晚，华东野战军司令部召担任攻坚任务的6纵队（含特纵）指挥员及山东兵团指挥员参加的战议，总结经验，研究歼敌的有效措施。议决定先打弱敌，打强敌的方针，采村落攻坚战法。100、44军较弱敌，首先突击的目标，围歼碾庄圩兵团部与战斗力较强的25、64军。
具体部署是：由山东兵团兼政治委员谭震林、副司令员王建安统一指挥，聂凤智9纵队在南，王必6纵队在西南，周志坚13纵队在西北，陶勇4纵队在北，张仁初8纵队在东，特纵（炮兵、坦克）按配属分别进入阵。针平原形阔，敌依托村落组集团防御、火力密集、接近困难等不利情况，求各部队抓紧间做攻坚的各项准备工，特别强调各部进行土工业，方设法堑壕挖敌阵前沿攻击目标的两侧，众的通壕连接，求隐蔽接敌，每战较的伤亡，攻歼守敌。
16日晚，围歼黄伯韬兵团的各主攻部队经两昼夜的土工业各项准备工，集中兵力、火力，碾庄圩西、南各村落据点目标，猛攻，广干部战士不怕牺牲，英勇顽强，逐村逐屋展争夺。
18日，解放军全歼国民党军100军、44军。100军副军长杨诗云、44军军长王泽浚被活捉。150师师长赵壁光率残部2000余人投诚，敌25军、64军伤亡惨重。
19日晚，各攻击部队碾庄圩黄伯韬兵团部总攻，经一夜激战，20日晨攻占碾庄圩，歼敌兵团部25军部。黄伯韬逃院64军军部，垂死挣扎。
21日晚，解放军向敌64军所在、院及25军残部所在尤湖总攻。22日黄昏，全歼残敌，生俘64军军长刘镇湘。
黄伯韬与25军副军长杨廷宴22日由碾庄东北费庄向西突围，至一独立屋草堆，黄举枪杀。黄临死杨廷宴懊丧说：“我有三不解：一、什那傻，在新安镇等待44军两。二、我在新安镇等两久，什不知在运河架设军桥。三、李弥兵团既向东进攻援救我，什初不在曹八集附近掩护我西撤。”（《中共党史参考资料》11册，320页）
从1948年11月6日至22日，华东野战军中原野战军协同战共消灭敌军1兵团、8军（含冯治安部义、孙良诚投诚各1军部）、18整师（含义3半师、投诚两师），重创敌各路援军，共歼敌17.8万余人。控制了战略枢纽宿县，将刘峙集团分割南北两股，全歼该集团创造了极有利的条件。
23日，中央军委致电华东、中原野战军领导，庆祝战役一阶段的伟胜利，并指：造一胜利的原因，“主观是因我华东、中原两野战军合并攻占宿县，客观是敌人有某程度的防御力（一点绝不轻视），很少有攻击力（一点必须有充分认识）。”（《淮海战役》，181页）并勉励他充分准备，“在二阶段中量歼灭南面敌人”，争取新的更的胜利。