12月4日，华野第2、3、8、9、10、11纵队及翼独立第1、3旅计20万部队，到达王引河一线，在东西50里的宽正面构筑袋形防御阵地；第1、4、12纵队，渤海纵队到达洪河集以北向南压迫，终于将杜聿明的3个兵团合围在徐州西南130里的陈官庄附近地区。当日，总前委和华野司令部的电话架通。陈毅在电话中对张震说：
“我是陈毅，敌人3个兵团，正采取东、西、北三面掩护一面南攻的战法，要向南打过去同黄维会师，你们必须对症下药，实行东、西、北三面猛攻，南面全线坚守的战法，就可使敌人的围圈迅速缩小，然后再从容收拾它！”
张震听到陈毅的声音，甚为高兴，自从陈毅6月份奉命去中野工作，半年多没有见面，也没有电话联系。他立即回答说：“司令员，你放心，我们一定照你的命令办。”
陈毅又说：“重点要注意南面，决不能让它冲出去。敌人要冲击，就给它狠打猛揍，叫它痛得要命，它就老实了。我们这里正收拾黄维这个老冤家，你们那里一定要把杜聿明看住，绝不能让他跑了。”
“好！好！我们保证！请你放心，请刘司令员、邓政委放心！”张震口气坚决。
蒋军邱清泉兵团以45、46师为前锋，集中5个团以上的兵力，向南滚进；李弥、孙元良两兵团在东西两侧逐次跟进。淮北平原、东起张寿楼、西迄赵破楼，北自袁圩，南止李石林，由炮火和拼杀形成一股方圆40余里的战争台风，向南方缓缓移动。密集的炮火所及，房倒屋塌，草木焦萎，天昏地暗，日月无光。12月6日“台风”艰难地向南推进到陈官庄地区，就只能原地打转了。
邱清泉一脸怒气，和孙元良来见杜聿明，火爆爆地说：“要重新考虑一下战略！”杜聿明便同邱清泉、孙元良、李弥一起商量下一步如何行动。
孙元良道：“总座，目前共匪东北野战军已南下，而我们攻击进展迟缓，掩护阵地又多被突破，再战下去前途并不乐观。唯今之计，只有轻装突围才是一条生路，将在外，君命有所不受。目前只有请总座独断专行，才可挽救大军。”
邱清泉击节叫道：“我同意良公意见！”
杜聿明问李弥：“丙仁呢？”
李弥沉吟半晌，道：“请总座决定，我照命令办。”
杜聿明又气又恨，站起来说：“是呀，‘将在外，君命有所不受，。你们如果3天前说这话，还可以全师而归，对得起老头子，今天恐怕晚了！既违命令，又不能全师，有何脸面去见老头子！”
最后商定，这日晚上3个兵团从东、西、南3个方向全线突围。
孙元良性急，突围心切，命令部队将重武器和装甲运输车悉数破坏，把炮兵牵引骡马改为乘骑，钻隙迂回。孙元良3个军从邱清泉兵团5军阵地越过王引河，潜跃而出，但在薛家湖一带遭解放军迎头痛击，孙元良掉头回宿，夜幕之中又误遭5军强烈火力阻射。顿时死伤枕藉哀嚎彻夜，1万余人或死或伤或擒，1．6万多人溃散，兵团参谋长张益熙被击毙。军长胡临聪、汪匣锋，副军长陈远湘、李家英、师长张光汉、陈玲等被俘。孙元良率领少数卫士向西南逃跑，结果被解放军冲散，卫士跑光了，只剩下他一人，见到处是解放军，乃趴到老百姓床底下，未被解放军搜索战士发现而幸免。尔后趁老百姓家中无人，脱去军衣换上老百姓衣服，昼伏夜行，最后侥幸逃到武汉。
孙元良第十六兵团一夜之间灰飞烟消。
邱李两兵团调整部署后，乃合力南攻。邱清泉建议以他的“集团冲锋”对付解放军的“人海战术”：每次攻击集中5个师以上的兵力，以坦克为先导，蜂拥出击，以倾天裂地之势，一举撕破解放军的防御。于是，连犯刘楼，郭楼、李楼、孙庄等村，然而进至鲁楼这个仅有72户人家的村庄，被华野第10纵29师遏住，未能越雷池一步。
粟裕在电话里向29师传达总前委的指示，询问阵地情况。29师已伤亡近半，有的连队只剩下三四个人，但肖锋师长坚定地说：“请粟司令转告总前委首长，人在阵地在，我们决不后退一步！”
鲁楼阻击战坚持了10昼夜，杜聿明集团终于未能前进一步。
南攻失败，邱清泉和李弥都付出了相当大的代价。向来稳重的李弥狂怒，下命枪毙了失守高窑的团长。杜聿明见突围无望，决定就地固守。他连连电告蒋介石，速调大军前来增援。华野将士乘势缩紧包围圈，加固工事，将杜聿明集团重重叠叠地包围在陈官庄地区。
小李家的总前委指挥部刘、邓、陈见华野已经把杜聿明集团围困，认为已到了解决双堆集黄维兵团的时候，遂于12月5日下达了对黄维兵团的总攻命令。
甲：从明（六日）午后4时半起，开始全线对敌总攻击，不得以任何理由再事推迟。
乙：陈、谢集团务歼沈庄、张围子、张庄地区之敌；
锡联集团务歼三官庙、马围子、玉皇庙、许庄地区之敌；
王、杜集团务歼双堆集以南王皇庙、赵庄，及以西前周庄、宋庄之敌，并各控制上述地区，然后总攻双堆集，全歼敌人。
丙：总攻战斗发起后，应进行连续攻击，直到达成上述任务为止，不得停止或请求推迟。
丁：各部不惜最大牺牲，保证完成任务，并须及时自动的协助友部争取胜利。
戊：对于临阵动摇贻误战机分子，各兵团各纵队首长有执行严格纪律之权，不得姑息。
这个严厉的总攻击令由总前委作战室直接用电话传达到一线部队。
6日下午4时30分，总攻在猛烈的炮声中全线展开。
东集团：陈赓、谢富治率领中野第4、9、11纵队及豫皖苏独立旅、华野特纵炮兵一部，向沈庄、张庄一线奋起冲锋。
西集团：陈锡联指挥中野第1、3纵队和华野第13纵队、特纵炮兵一部向三官庙、许庄一线发起攻击。
南集团：王近山、杜义德指挥中野第6纵队、华野第7纵队、陕南第12旅，向周庄一带进攻。
中野从艰苦的阻击战到此刻发起总攻，已伤亡2万余名将士。但整个部队在刘、邓首长“打下黄维，直捣南京，解放全中国”的决战号令下，个个奋勇拚杀。经转战大别山，在严酷战争环境中锤炼出来的钢铁战士，同用美式装备武装起来的黄维兵团拉开了殊死战的帷幕。陕南第12旅35团1营和敌人反复10余次争夺小李庄，200多名官兵战到最后40个人，而倒在他们脚下的敌人尸体达1000多具。
黄维兵团副司令胡琏，决定实施他的“刺猬胀蛇法”，命令各部紧缩猬集，以家屋为核心，以地堡群为骨干，依托坚固工事，夜间坚持抗击，白天则在飞机、坦克、大炮的配合下，突袭反攻。
解放军各集团集中优势兵力，进行重点连续攻击，烟尘滚滚，激战犹酣。解放军4个营攻占了大王庄，将敌85军的1个团击退。敌人调18军的“老虎团”向大王庄冲锋。他们不仅成群地上，单个也上，有炮上，没炮也上，枪打得准，拚刺刀也行。解放军4个营的指战员利用断墙、壕沟，打退了他们的15次冲锋。最后敌“老虎团”全团覆灭，只剩下孙团长一人，他满身污血、跌跌撞撞地步回师部，遇见了胡琏。胡琏逼他自杀。那孙团长颤颤抖抖地摸出腰带上的手枪，向缠满绷带的头颅举去。随着一声枪声。他倒在胡琏脚下。
解放军也付出了巨大的牺牲。中野第6纵队46团3营只剩下营长1人，仍坚守在大王庄阵地上，其他3个营也大部牺牲。华野第7纵队首长为保住大王庄阵地，将纵队警卫连调上去。敌人将18军的汽车兵、后勤兵、伙夫、马夫调上来冲锋，但这些人不经打，他们虽然人多，还是被打下去了。
原被解放军击退的敌85军那个团，趴在掩体里看“老虎团”同解放军争夺大王庄，见他们的部队被打完了，那个团长放下望远镜，说：“弟兄们，莫打了，咱们投降吧！”当夜，他们向华野第7纵队缴了械。
蒋介石派他的二公子蒋纬国率战车2团100余辆坦克前往蚌埠督战。
毛泽东、粟裕曾试图于徐东割歼邱清泉、李弥兵团而未果，便遣华野第2、6、10、11、13纵队等部及江淮军区独立旅直奔李延年而来。李延年、刘汝明到底熟谙军机，看华野重兵来袭，便急电报告国防部，迅速率部南撤，并炸毁浍河铁路桥，然后龟缩淮河一线，再也不敢北越雷池。蒋介石制定的“南北对进，三军会师，打通徐蚌”的战略计划虽未实现，但得以全师蚌埠，也深为庆幸。
李延年所部本是徐州“剿总”第九绥靖区建制，刘汝明所部是第四绥靖区建制。东北战役，国民党军被歼，李延年得东北“剿总”的第六兵团番号，刘汝明得东北“剿总”第八兵团番号。李、刘分别把绥靖区改为兵团。李延年第六兵团下辖39、54、96、99军，其中54、39军是从葫芦岛撤出来的。李延年4个军都是蒋介石嫡系，装备优良，颇能冲杀。刘汝明第八兵团下辖55、68军。这两个军曾被解放军歼击过，但刘汝明是杂牌军，怕蒋介石整肃，不敢实报伤亡情况，虚额甚大。
12月4日，李、刘两兵团倾剿而出，与蒋纬国的战车2团相互助威，凶焰万丈。而阻挡他们的仅中野第2纵队和华野第6纵队的数万将士。
陈毅在小李家给华野第6纵队司令王必成、政委江渭清写信，他知道第6纵队打得很苦，部队很疲困，但又抽不出力量来，只有鼓励指挥员沉着、镇定、坚毅，灵活地应付可能发生的一切，要有牺牲大部的决心，与敌人拚斗。王必成、江渭清、皮定均没有辜负陈毅的嘱托，指挥部队以血肉之躯筑起了一道长城，一次又一次地顶住了如洪水般卷来的敌人。
蒋纬国在第一线督战得手，12月5日占领仁和集、周家口，9日进至火星庙一线。但好景不长，华野渤海纵队11师和豫皖苏军区地方武装5个团陆续开到，配合中野第2纵队、华野第6纵队顽强阻击，国民党军攻击浪头就像撞上了礁石，被碰了回去，仅李延年兵团死伤达1．5万多人。蒋纬国忽然接到南京统帅部来电，命令他的战车2团撤出战斗，听候差遣。蒋纬国带战车2团退出战场，李、刘兵团北进，以失败而告结束。
刘伯承、陈毅、邓小平刚在指挥部内研究完南线阻击李延年、刘汝明的战况，又分乘吉普车出小李家直开双堆集战场前沿。车在一处路口停下，他们步行亲临战场，直接观察第一线激战。
刘、陈、邓回到指挥部，指示粟裕抽调3个纵队参加双堆集会战。粟裕即命参谋长陈士榘率华野第3、11纵队和鲁中南纵队星夜南下。艰苦的歼黄作战由8个纵队增加到11个纵队。总前委立即调整部署。
东集团：陈赓指挥，率中野第4、9、11纵队和豫皖独立旅，攻击敌10军、14军残部，直逼敌核心阵地平古堆。
西集团：陈锡联指挥，率中野第1、3纵队和华野第13纵队直迫双堆集。
南集团：陈士榘指挥，率中野第6纵队、陕南12旅、华野第3、7纵队，直掠尖古堆。
双堆集北面，从总前委指挥部小李家直到双堆集前线，由华野鲁中南纵队防守，该纵队作为预备队准备策应。
解放军30万大军压迫黄维兵团数万残兵，步步紧逼。12月10日攻克杨围子，击毙敌14军军长熊绶春，敌14军全军覆没。
中野第6纵队17旅49团1营和华野第3纵队23团1营，即著名的“襄阳营”和“洛阳营”，合力会攻黄维兵团的前门——马庄，一举歼灭国民党著名的“威武团”，即10军114师54团，占领了由大炮、坦克、子母堡构成严密防御的核心据点。黄维见大势已去，开始焚烧文件，并命令他的警卫团全力反击，企图夺回阵地，而兵团的后门——尖古堆，争夺战正在更激烈地进行。
残酷的拉锯战在尖古堆周围200米之内覆盖了一层尸体，尖古堆高出一马平川的地面十几公尺，站在上面，四周田野村庄尽收眼底，险兵恶阵一览无余。尖古堆上原先构筑的坚固工事已被炮火夷为平地。国民党军用尸体垒起了一道长达150余米的半人多高的弧形“围墙”。
中野第6纵队将士们已扫平了尖古堆外围的敌军工事，现在轮到华野第7纵队的61、62团攻击。坚守尖古堆的是敌18军118师354团，敌人施放毒弹。刘伯承有破毒气的妙法，他命令进攻尖古堆的部队，尿湿毛巾，捂住鼻口。毒气弹失灵了。尖古堆前的枪声、爆炸声、喊杀声震耳欲聋。解放军终于攻克了尖古堆。敌人失掉了制高点，使整个双堆集敌军处在解放军的直接威胁下。
12月12日，刘伯承、陈毅发出《促黄维立即投降书》：
黄维将军：现在你所属的4个军，业已大部被歼。
……你的整个兵团全部歼灭，只是几天的事。而你们希望的援兵孙元良兵团，业已全歼。……李延年兵团被我军阻击，尚在80里之外，……你身为兵团司令，应爱惜部属的生命，立即放下武器，不再让你的官兵作无谓牺牲。
那黄维仍然拒降。黄维、胡琏等在解放军攻占尖古堆时，匆匆撤到平古堆。
12月15日，黄维决定夜间全线突围。胡琏提出“四面开弓，全线出击，觅缝钻隙，冲出重围”的策略；黄维部署了突围的方案，决定黄昏后6时行动，并电报蒋介石。不料蒋介石闻报大惊，特派空军副司令王叔铭飞来双堆集上空，传达蒋介石口谕：“夜间突围飞机无法轰炸支援，你的突围计划必须改变。”
黄维对胡琏说：“四面共军已可东西对答南北呼应，哪还等到明天。将在外，君命有所不受。”于是决定违背蒋介石的命令。
当夜突围为时晚了。解放军的炮弹落在了敌战车营，几十辆坦克移动疏散，惊慌失措的黄维兵团官兵顿作鸟兽散。至15日24时，黄维兵团全部被歼。黄维和副司令官吴绍周被活捉。胡琏趁混乱之机逃往蚌埠。至此，沿海战役第二阶段胜利结束。
黄维兵团被歼，杜聿明集团孤立无援，已成瓮中之鳖。
毛泽东于12月16日对总前委发出指示：“从即日起，两星期内对包围的杜聿明匪部不作最后歼灭之部署，以便蒋介石在毛泽东施缓兵之计，要求总前委对杜聿明集团围而不歼，制造一种缓和的态势，使蒋介石产生解放军只能包围，而不能吃掉杜聿明的错觉，从而将人民解放军东北野战军迅速调入关内，与华北野战军合力围歼国民党军华北部队。华北傅作义的60多万军队正在收缩兵力，企图海运南逃或西窜绥远。
毛泽东给蒋介石吃了定心丸，果然不出所料，蒋介石犹豫不决，没有把华北傅作义大军从塘沽撤到上海。而林彪的数十万大军出敌不意，入关占领塘沽和新保安，切断了盘踞在北平、天津一线的傅作义部的东西逃路，完成了对华北傅作义部队的战略包围。傅作义再想从东西两头撤逃，已经来不及了。
毛泽东对被围困中的杜聿明集团实行政治劝降。12月17日，毛泽东以中原人民解放军司令部名义写了《敦促杜聿明等投降书》：
杜聿明将军、邱清泉将军、李弥将军和邱、李两兵团诸位将军、师长、团长：
你们现在已经到了山穷水尽的地步。黄维兵团已在15日晚全军覆没，李延年兵团已掉头南逃。你们想和他们靠拢是没有希望了。你们想突围吗？四面八方都是解放军，怎么突得出去呢？你们这几天试着突围，有什么结果呢？
你们的飞机坦克也没有用。我们的飞机坦克比你们多，这就是大炮和炸药。人们叫这些做土飞机、土坦克，难道不是比较你们的洋飞机、洋坦克要厉害十倍吗？你们的孙元良兵团已经完了，剩下你们两个兵团，也已伤俘过半。你们虽然把徐州带来的许多机关闲杂人员和青年学生，强迫编入部队，这些人怎么能打仗呢？十几天来，在我们的层层包围和重重打击下，你们的阵地大大地缩小了。你们只有那么一点地方，横直不过十几华里，这样多人挤在一起，我们一颗炮弹就能打你们一堆人。你们的伤兵和随军家属，跟着你们叫苦连天。你们的士兵和很多干部，大家都不想打了。你们当副总司令的，当兵团司令的，当军长师长团长的，应当体恤你们的部下和家属的心情，爱惜他们的生命，早一点替他们找一条生路，别再叫他们作无谓的牺牲了。
现在黄维兵团已被全部歼灭，李延年兵团向蚌埠逃跑，我们可以集中几倍于你们的兵力来打你们。我们这次作战才40天，你们方面已经失败了黄伯韬10个师，黄维11个师，孙元良4个师，冯治安4个师，孙良试2个师，刘汝明1个师，宿县1个师，灵壁1个师，你们总共丧失了34个整师。其中除何基沣、张克侠率3个半师起义，廖运周率1个师起义，孙良诚率1个师投诚，赵壁光、黄子华各率半个师投诚以外，其余27个半师，都被本军全部歼灭了。黄伯韬兵团、黄维兵团和孙元良兵团的下场，你们已经亲眼看列了。你们应当学习长春郑洞国将军的榜样，学习这次孙良诚军长、赵壁光师长、黄子华师长的榜样，立即下令全军放下武器，停止抵抗，本军可以保证你们高级将领和全体官兵的生命安全。只有这样，才是你们的唯一出路，你们想一想吧！如果你们觉得这样好，就这样办，如果你们还想打一下，那就再打一下，总归你们是要被解决的。
这篇《敦促杜聿明等投降书》通过解放军前沿阵地向被围的杜聿明所部官兵广播，同时在各个阵地前沿普遍开展火线劝降工作。蒋军下层军官和士兵，开始成班成排，后来发展到整连、整营地向解放军投诚，先后投诚者达1．4万人。
12月22日，毛泽东指示淮海前线司令部，只要杜部不大举突围，应休息到1949年1月5日左右开始攻击，较为适宜。