軍主力覆沒，其強渡運河一部，也在運河西岸落敗。

    第二十五軍因為掩護友軍，遭受創傷。

    第一百軍之第四十四師渡過運河之后，沒有遵令到碾莊集中，直奔八義集，也被解放軍夾擊殲滅。在這場序戰中，黃百韜部即損失五分之一以上兵力。

    黃百韜于兵團主力渡過運河后，召集各軍長在碾莊開會。

    多數人主張依照兵團既定部署，兼程前進，趁解放軍主力尚未完全通過運河鐵橋之前，撤向大許家。但有人堅持不走，要在碾莊憑藉第十三兵團已設陣地，跟解放軍打上一仗再說。

    恰巧國防部來一道電令：大意是黃百韜兵團未過運河，已受挫失，如繼續行進，萬一被解放軍尾追，恐有被擊破之慮。

    當前行止，由黃百韜視狀況自行決定。

    如有必要，在碾莊集結整頓，打退敵人之后再走亦可。

    黃百韜兵團便決定留在碾莊及其附近地區，固守待援。

    陳毅也親率其第一、二、四、六、九、十一、十二、十三、新八等9個縱隊，向黃百韜兵團圍攻猛撲。

    解放軍行軍速度超出預料，在一日之內，華東野戰軍3個縱隊，就攻佔碾莊與徐州之間曹八集等各據點要道。

    11月9日，杜聿明回到南京，發覺國軍主力還在徐州附近，黃百韜兵團且已被圍。

    前面所說在蚌埠附近決戰之計劃，已經不能實施。

    11月10日下午，蔣在官邸會報中，核定國防部所提新作戰計劃，并囑杜聿明即刻回徐州指揮執行。蔣以親筆致函黃伯韜：「煥然司令官勛鑒：此次徐淮會戰，實為我革命成敗、國家存亡最大之關鍵，務?！囊坏?，團結苦鬬……」

    當晚，杜聿明即乘專機飛往徐州，因為飛機迷失方向，直到午夜以后才到徐州降落。

    他見劉峙，并聽取主管情報人員有關敵情報告之后，認為目前徐州四周，雖然都有解放軍，但不可能都是敵之主力。

    黃百韜見勢不妙，希望李彌第十三兵團協助撤退。

    李彌拿出劉峙命令，執意按計劃回撤，拒絕援助。

    此時徐州南方戰況，由于宿縣之孫元良第十六兵團北撤徐州，而協防宿縣之劉汝明第四綏靖區也向南撤。

    由于劉峙指揮慌亂，蔣決定11月10日把杜聿明調回任徐州剿匪總司令部副總司令兼前進指揮部主任，具體負責指揮作戰；同時命令邱清泉第二兵團和李彌第十三兵團由徐州向東攻擊，為黃百韜第七兵團解圍。

    在蚌埠，以第九綏靖區改組建第六兵團，以第四綏靖區改組建第八兵團，兩兵團將協同沿津浦鐵路兩側向宿縣推進。至此，徐州、蚌埠戰場國軍兵力增加到80萬人。

    11月11日，華東野戰軍將第七兵團合圍于碾莊地區。

    11月11日晚，杜聿明帶一批幕僚人員從南京飛抵徐州，指揮會戰。

    11月15日，蔣介石專派參謀總長顧祝同與國防部第三廳廳長郭汝瑰飛赴徐州督戰，嚴促劉峙、杜聿明東進，以解黃兵團之圍。

    同日，劉伯承將徐州、蚌埠之間，位于津浦鐵路線上的宿縣攻陷，切斷了徐、蚌之間連絡，也阻絕由蚌埠、固鎮、蒙城幾路援軍北進之通路。

    顧祝同召開軍事會議，決定三路并進，「打通津浦線」

    鑒于徐蚌會戰規模越打越大，11月16日，中國共產黨中央軍事委員會決定由中原野戰軍司令員劉伯承、華東野戰軍司令員兼政治委員（同時兼中原野戰軍副司令員）陳毅、中原野戰軍政治委員鄧小平、華東野戰軍代司令兼代政治委員粟裕、華中野戰軍副政治委員譚震林組成淮海戰役總前敵委員會。

    劉伯承、陳毅、鄧小平任常務委員，鄧小平為書記。(07)

    統籌華東、中原區事宜，臨機處置一切。

    國軍第六兵團是剛編成，由甫從海州撤守之第九綏靖區司令官李延年出任兵團司令官，下轄三個源流不同之第三十九、五十四、九十六軍。

    第八兵團司令官劉汝明，下轄第五十五軍、第六十八軍，是馮玉祥西北軍僅存之一支軍隊，多年來轉戰南北，師老兵疲，劉汝明帶著這些子弟兵，有意無意想保存實力。

    第六兵團和第八兵團欠缺企圖心和攻擊精神，戰斗力參差。

    國軍統帥部令李延年向北攻擊，收復宿縣，前進打了一天，受到劉伯承強力阻擊，攻勢便告停頓。統帥部乃令黃維兵團迅速前進，先克宿縣，再往徐州。

    自11月13日起，徐州國軍以邱清泉第二兵團和李彌第十三兵團協同攻擊全力解第七兵團之圍。開始時，粟裕令華東野戰軍第7、第10、第11縱隊組成阻援兵團，由第10縱隊司令員宋時輪、政治委員劉培善統一指揮，在侯集、林佟山至大許家地域，實行正面防御阻擊徐州國軍東援；以蘇北兵團各縱隊從徐州東南側擊第二、第十三兵團增援，在潘塘附近發生激戰。

    11月19日，華東野戰軍全力加快圍殲第七兵團，至11月22日，華東野戰軍全殲第七兵團10萬人，第七兵團司令官黃百韜陣亡。

    11月22日，第二兵團被華東野戰軍阻于離碾莊12公里處大許家一線，無法突破。

    國軍第七兵團被殲滅后，由蚌埠進軍的李延年第六兵團、劉汝明第八兵團擔心被解放軍攻擊而拖延北進，造成黃維第十二兵團向宿縣進軍位置突出、孤立。

    在解放軍阻擊下，3個兵團無法靠攏徐州，打通徐州—蚌埠間聯系，形勢對國軍不利。

    黃維兵團先頭第十八軍，于11月中旨初到達阜陽，后續部隊亦絡繹開到，它們稍作停休，即向蒙城進發。右縱隊于11月15日到達蒙城，左緃隊第十軍同時到達渦河以東之西陽集，皆在渦河南岸。

    夜間，第十八軍完成渡河攻擊部署，在蒙城東、西各10馀里處，選定兩處渡河點，由第十一師和第一一八師分別強攻渡河。11月16日拂曉，強渡成功。

    11月19日，最高統帥部嚴電第十二兵團「迅速北進赴援」。進到南坪集附近，遭到解放軍堅決狙擊，傷亡頗大。

    黃維以其主力強渡澮河，企圖擊破解放軍狙擊，迅援徐州，但是希望完全落空。

    他們渡過渦河后，發現解放軍大縱深陣地，知道已鑽進口袋，乃于11月23日下午命其主力向澮河南岸退縮企圖退到固鎮去和李延年兵團靠攏。解放軍趁其混亂之際，猛力合圍，將黃維兵團12萬人馬壓縮在以雙堆集為中心，東西長20華里、南北寬15華里之地區內，形成一個嚴密包圍圏。

    中原野戰軍將從河南確山方向來援之國軍第十二兵團阻止于宿縣西南南坪集地區。

    第二階段

    主條目：雙堆集戰役

    第二階段，從11月23日至12月15日。

    11月23日夜，第十二兵團向東南方固鎮轉移，企圖靠攏李延年第六兵團。11月25日，第十二兵團被中原野戰軍集中7個縱隊在宿縣西南「包圍于雙堆集地區」。

    11月27日拂曉，黃維決定強力突圍。此時，第八十五軍第一一〇師師長、中國共產黨地下黨員廖運周，卻和解放軍搭上線，準備「陣前起義」，且把黃維打算突團之秘密，也告訴解放軍。

    因為事先已有協議，解放軍便在其第四縱隊包圍線上，讓開一條通路，在黃維預定之突圍時間早幾個鐘頭，讓廖運周急行出去，又把缺口給封住。黃維和吳紹周以為廖師突圍成功，大部隊就跟著行動，被碰回來才知道廖運周率部兵變。

    黃維乘合圍尚不嚴密，以4個師兵力為先頭，向東南方全力突圍失敗，軍心不振，只得固守待援。第十二兵團從澮河南北之線，向固鎮方面撤退時，因時間耽誤，解放軍已大量涌至。此時國軍被動挨打，第七兵團被殲，徐州東線暴露；徐州往蚌埠之退路，因中原野戰軍佔領宿縣而切斷。第十二兵團被中原野戰軍合圍，有被全殲之危險。

    11月28日，杜聿明奉召飛到南京，參加官邸會議，經過共同研商后，杜聿明為保持高度機密，又單獨向最高統帥作報告請示，決定放棄徐州，由杜聿明率領邱清泉、李彌、孫元良三個兵團，從徐州西側，經永城到渦陽、阜陽地區，以淮河作依託，再向敵軍攻擊，以解黃維兵團之圍。

    同時電令黃維堅守待援，不可輕動。此一方案確定后，杜聿明即刻飛回徐州，部署行動。

    徐州剿匪總司令部總司令官劉峙離開徐州，調到蚌埠指揮第六兵團、第八兵團再次北援，由杜聿明于11月30日放棄徐州向西南沿永城、渦陽撤退。杜聿明率徐州主力30萬人南撤。

    華東野戰軍發現國軍撤走，即以7個縱隊30萬人攔截追擊。

    由于南線「李延年、劉汝明兵團在固縣受阻」，縮回蚌埠，華東野戰軍又從南線另抽調3個縱隊加入北線圍攻杜聿明集團。杜聿明途中接到蔣命令向東南出擊，轉攻東南解救黃維第十二兵團。

    12月4日，華東野戰軍將由徐州西逃之杜聿明集團3個兵團（邱清泉第二兵團、李彌第十三兵團、孫元良第十六兵團）包圍于永城東北青龍集、陳官莊地區。

    第十六兵團協調錯誤，自行突圍。華東野戰軍將突圍之第十六兵團殲滅。

    12月6日，孫元良兵團主力被殲。12月8日，華東野戰軍陳毅、栗裕、譚震林以政治部函招降杜聿明、邱清泉、李彌、孫元良，受到拒絕。

    中原野戰軍對黃維第十二兵團採取大量土工作業，近迫攻堅，對第十二兵團合圍圈不斷縮小至12月初，第十二兵團防區縮小，糧彈不足陷入困境，只能靠有限的空運補給。此外，華東野戰軍又抽調5個縱隊加炮兵縱隊由參謀長陳士榘指揮，加入對第十二兵團的圍攻。第十二兵團副司令胡璉因回家奔喪最初沒有隨軍，第十二兵團被圍后乘飛機進入雙堆集包圍圈。12月6日，中原野戰軍、華東野戰軍對第十二兵團全線發起攻擊。

    12月8日，黃維兵團日趨瓦解，已無法再固守下去。當天，蔣中正在日記中寫道：「下午研究黃維兵團突圍計劃。將領氣餒膽怯，只想逃命，不知廉恥，痛斥之?！惯@時的黃維兵團連突圍的力量也沒有了，蔣中正情急之下準備使用化學武器。在下一天日記中寫道：「本日時刻想望化學炸彈之功效能否濟急，最為系念。直至黃昏始運到，而猶未能起貨試驗也。此實最后之一法，存亡成敗皆在于此。上帝佑華，其必能使之有效也?！?/br>
    12月10日日記寫道：「朝課后催詢化學彈運制情形」，「下午督導化學彈使用之準備計劃，親臨空軍指揮部研究」，「手擬黃維函稿，諄諄叮囑使用化學彈應注意各點及鼓勵士氣，固守待援也，晚召集化學彈有關人員再三研究，決定明日再準備一日，以期周到無缺也。十時后就寢，今日幾乎全力用于化學彈使用之準備工作，憂喜與疑信參半也?！?/br>
    12月11日日記寫道：「晚課后聽取化學司今日試驗化學彈報告，結果良好為慰?！?/br>
    12月12日解放軍全線發起總攻，蔣中正在當天日記寫道：「上午與叔銘屢通電話，研究化學彈應否使用，有人絕對反對，故不能絕斷。禮拜如常。正午決放棄使用化學彈?！?/br>
    12月15日，中原野戰軍在華東野戰軍配合下，在宿縣西南雙堆集地區圍殲第十二兵團，俘兵團司令黃維，該兵團一個師參加中國共產黨陣營。國軍12萬人被消滅，殘部各自突圍。12月15日副司令胡璉與戰一團戰車第二營代營長甘義三之座車，與戰車連副連長周名琴等官兵數人，共乘一車。他們單獨突圍逃出（這部戰車為戰車二營突圍指揮車，僅此車有突圍路線地圖及資料）。但坦克被解放軍擊中亦受重傷。后遇到未被包圍作為后衛的第十八軍騎兵團以及第十八軍第四十九師，遂把胡璉護送到蚌埠，轉往上海就醫。

    第三階段

    第三階段，從12月23日至1949年1月10日。

    為配合平津會戰，按照中共中央軍委統一部署，解放軍部隊戰場休整20天。解放軍對傅作義集團之分割包圍，避免其迅速決策經海路南逃。由于已消滅國軍34個師，邱清泉第二兵團、李彌第十三兵團之22個師被包圍，解放軍對合圍的杜聿明部暫緩攻擊，向杜聿明發動政戰宣傳與勸降，消耗其心理，為最后圍殲杜聿明部做最后準備，雖然杜聿明拒絕投降，但瓦解了國軍官兵士氣。

    合圍圈中的國軍糧彈兩缺，雖有空投補給，但遠不夠用。12月19日，被圍的國軍曾謀劃空軍化武掩護下突圍，亦無力執行。12月26日，徐蚌戰場被圍困于陳官莊之杜聿明、邱清泉、李彌部，因連日大雪，飛機停止空投，接濟斷絕。12月28日，杜聿明問顧祝同增援徐州之兵力在哪里時，顧祝同回答說：「現在到處受到牽制，哪里也調不出兵力?！?/br>
    這時，華北國軍傅作義集團，已被分割包圍于北平、天津、塘沽，殲滅杜聿明已不再影響華北戰場之勢態。

    1949年1月5日，第十六兵團司令孫元良自宿縣突圍抵漢口，所部殘馀千馀人，至駐馬店地區。

    1月6日，徐蚌會戰第三階段開始。

    下午4時起，華東野戰軍東、北、南3個突擊集團同時對河南永城東北之青龍集、陳官莊地區被圍之杜聿明集團發起總攻，在2小時內殲李彌第十三兵團萬馀人，攻佔村落據點13個。

    解放軍在看見招降無效，就發動猛烈總攻，乘國軍疲弱無力，以大膽分割戰術，全面突入，先摧毀外圍據點，續入核心陣地，國軍死里求生，奮力拚斗。

    1月9日，消滅第十三兵團大部，殘部撤往第二兵團防區，「雖然出動了救援的飛機，但沒來得及」國軍苦戰到1月10日夜間，終于全線瓦解，結束戰斗。

    經4日戰斗，解放軍全殲第二、十三兩個兵團，俘徐州剿匪總司令部副總司令兼前進指揮部主任杜聿明。

    徐州剿匪總司令部前進指揮部副主任兼第二兵團司令官邱清泉陣亡。

    參與此役之高級將領，僅李彌、孫元良、熊笑三、高及人等倖獲脫險，杜聿明及其以下軍、師長多人均被俘。

    犠牲之重，堪稱空前。

    是日，蔣介石日記寫道：「杜聿明、邱清泉二將領雖作戰失敗，但其始終聽命，奮斗到底，實不愧為革命軍人?！?/br>
    在戰斗最激烈階段，蔣曾下令使用毒氣彈掩護杜聿明部突圍，并以甲種彈掩人耳目。杜聿明在《淮海戰役始末》一文中回憶：「我想突圍也無望，但限于蔣中正的命令，又有董明德來，不能不敷衍他一下」。

    于是即找第三處處長鄧錫洸來商討，擬定陸、空協同放毒突圍的計劃。董說：「黃兵團這次用了毒氣彈，部隊被消滅后，共軍即廣播出來。放毒是違犯國際公法的，所以這次決定以空軍放毒，掩護你們突圍。規定毒氣彈為「甲種彈」，其他彈為「乙種彈」，計劃中只寫甲種彈、乙種彈，而不寫毒氣彈。

    我（杜聿明）問董：「用的什么毒氣？」

    董說：「催淚性的?！?/br>
    我（杜聿明）說：「這有什么用？為什么不用窒息性的呢？」

    董說：「窒息性的太嚴重，還不敢用」。

    施洋認為，之所以國軍「窒息性」的「不敢用」，除了顧忌其威力之外，可能是因為國軍戰術素養低下，無力大規模實行化學作戰所致。

    實際上根據戰后中國共產黨解密檔案顯示，徐蚌會戰最后階段，杜聿明給南京電報要求投放20萬隻防毒面具，以放毒率部突圍。

    但是電報落到李克農領導的中共華東局社會部在國民黨聯勤司令部共產黨間諜人員手里，共產黨間諜拖延緩辦，杜聿明一直未收到空投防毒面具，對甲種彈導致投鼠忌器，以致全軍覆沒，自己束手被俘。

    役后，國軍用于發射化學彈藥的化學炮和防化設備均被解放軍虜獲。

    1949年1月11日，蔣見此敗局，「決在蚌埠臨淮各留一個兵團，構成據點留守，掩護撤退，馀部皆絡續南撤?！?。李延年第六、劉汝明第八兵團隨后放棄淮河以南、長江以北地區，撤往江南。徐蚌會戰結束，解放軍佔領長江以北大片土地。