中原华东野战军从11月23日始，经18紧张激烈的战斗，分别包围了黄维兵团杜聿明集团，并予沉重的打击，但两股国民党军拼死顽抗，仍图向南突围。
解放军全歼该敌尚需一定日。此由蚌埠北援敌6兵团在8兵团的策应，已推进余集、包集南区，距离双堆集仅70余，从华中白崇禧集团中抽调的20、28军已陆续达浦口，估计12月15日前达蚌埠区。
此外，国民党正在海集中待命的数十艘船，有突北接走平、津、塘、唐区的蒋系各军，转徐蚌战场。
针些情况，总前委争取战役主动，经中央军委批准，决首先集中中原野战军主力，并使战役预备队华东野战军7、13纵队及特纵炮兵一部，先歼灭黄维兵团。华东野战军主力则围困杜聿明集团。另华东野战军6纵队，并调中原野战军2纵队及豫皖苏、豫西军区5团渤海纵队1师，统归华东野战军6纵队司令员王必、政治委员江渭清指挥，担任阻击李延年、刘汝明两兵团的任务。
刘伯承战方针形象比喻：“吃一（黄维），挟一（围困杜聿明），一（阻止李延年、刘汝明）”。
5日，刘伯承、陈毅、邓平达《总攻黄维兵团命令》，指：敌黄维兵团经与我半月战，已损失兵力至少三分一，战斗部队至少损失五分二，其主力18军（包括18师）亦已残破，是解放军各部队英勇战的结果。根据总的战求及面实际情况，决定组3攻击集团。命令中原野战军4、9、11纵队及豫皖苏独立旅，华东野战军炮兵一部组东集团，由4纵队司令员陈赓、政治委员谢富治指挥，向双堆集东区攻击；命令华东野战军13纵队、中原野战军1、3纵队华东野战军特纵炮兵一部组西集团，由3纵队司令员陈锡联指挥，向双堆集西区攻击；命令中原野战军6纵队、华东野战军7纵队陕南军区12旅组南集团，由中原野战军6纵队司令员王近山、政治委员杜义德指挥，向双堆集南攻击。
在总攻前，各纵队进一步动员，补充兵源，实行火线整编，充实连队。各级指挥员深入一线，动员组织突击队。展军民主，组织沙盘业，解决战术难点，研究歼敌办法。增强火力，推广被敌称“特威力炮”的土造炸药抛筒。加强通信保障，架设环形电话网，重线路架设双线，并加强改进支前勤工，将粮草、弹药、药品送前沿阵，保障部队连续战。
6日，解放军经充分准备，尤其是进行了量的土工业，3集团同全面攻击，各部队采取稳扎稳打，攻占一村巩固一村的战法，敌实施有重点的面点的连续突击。至10日，共歼敌近5万人。
加速歼灭黄维兵团，总前委决定，将华东野战军3、13纵队加入南集团，由华东野战军参谋长陈士榘统一指挥，突击敌核阵双堆集，东西两集团的各纵队分别向面敌实施突击。
12日，刘伯承、陈毅《促黄维立即投降书》，指：现在你所属的4军，业已部被歼。就是你所依靠的王牌18军，亦已被歼半。你的整兵团全部被歼灭，是几的。在情况，你本人你的部属，再绝望的抵抗，不但有丝毫路，在人民解放军的强烈炮火完全毁灭。你身兵团司令，应爱惜部属与生命，立即放武器，不再让你的官兵无谓牺牲。果你接受我一最警告，请即派代表本部谈判投降条件。机紧迫，望即决策。（《人民日报，1948年12月16日》）
此，新华社连续广播，各纵队抓紧机，广泛展政治攻势，国民党军整连整营纷纷降。但黄维仍负隅顽抗，拒绝投降，并施放毒气，困兽斗。国民党空军频频动，支援黄维兵团防守，仅13日，敌机就向解放军阵投弹百余吨。
13日晚，解放军总攻。14日，南集团攻占敌临机场南端阵及双堆集南尖谷堆阵，黄维兵团部完全暴露。东集团攻占杨老五庄、杨子全庄。15日黄昏，各集团乘胜继续攻击，东西集团通敌人严密火力网，突破敌人汽车筑的防线，与南集团合。3攻击集团密切协同，迅速摧毁敌人的指挥中。残敌分散突围，均被截歼。15日12，解放军全歼黄维兵团，活捉兵团司令黄维、副司令吴绍周（兼85军军长）、18军军长杨伯涛，10军军长覃善等人。兵团副司令胡琏乘战车潜逃。14军军长熊绶春被击毙。至此，黄维兵团全军覆灭。
由蚌埠北援的李延年、刘汝明两兵团遭解放军阻击部队的顽强阻击，连攻10余日，终未与黄维兵团靠拢。黄维兵团覆灭，该敌16日撤淮河南。被围在陈官庄区的杜聿明集团从11日至15日曾连续向南突围，均未逞，其防区进一步缩，处境更加不利。
黄维兵团被歼，淮海战役二阶段的任务已经完，其间，解放了战略重镇徐州。正中共中央贺电中指的：“徐州是南京的门户，是匪首蒋介石进行反革命内战的巨军基，徐州的迅速解放，全国战局，极有利。尚望继续努力全歼面匪军奋斗。”（《人民日报，1948年12月6日》）
中共中央、毛泽东在电贺淮海战役二阶段捷，指：黄维兵团的被歼，迫使李、刘兵团向淮河南回窜，从使杜聿明集团“完全孤立永城东北区，粮尽援绝，坐待毙”。“望团结全体军民，继续努力，全部歼灭面匪军战！”（《淮海战役》，233页）