就在黄维、胡琏准备在飞机、毒瓦斯的帮助下突围时，我军加紧了对双堆集之敌的攻击。经解放军连续突击，步步紧逼，敌第12兵团的兵越来越少，地盘地越来越小，黄维的所谓“硬核桃”阵地已经荡然无存了。
在包围圈中，一切可食、可烧、可用的东西都已荡然无存。在内无粮草、外无援兵、天寒地冻。伤者无法就治、死者暴尸阵地的惨局面前，敌军土气十分低下，阴森的气氛和绝望的情绪笼罩着整个敌营。
第85军被歼后，王近山指挥中野第6 纵队和华野第7 纵队先夺大王庄，再克尖谷堆，这是黄维兵团整个阵地的骨干，直接威胁敌第18军军部。
面对解放军依托堑壕逐步蚕食的战术，黄维兵团的高级将领坐在地堡里，面面相觑，一筹莫展，毫无对策。
12月12日，中原野战军司令员刘伯承、华东野战军司令员陈毅，向被围的黄维联合发出《促黄维立即投降书》，命令黄维立即投降。
在前沿阵地上，我军阵地的喇叭里反复播放着《促黄维立即投降书》。这一强大的政治攻势，在敌军心理上起到了巨大的威慑作用。
但是，十分顽固的黄维拒绝投降，决定顽抗到底。他要求蒋介石派大量飞机用凝固汽油弹大规模轰炸，在规定时间和区域造成火海，以掩护他的兵团突围。
蒋介石立即空投亲笔信，答复道：决用空军全力拯救你的突围，可径行同空军总部联络。同时，还给黄维空投了空军施放毒瓦斯弹和使用毒气防护办法的说明，准备施放毒气掩护突围。随即，黄维兵团开始秘密进行各种准备。
对于顽固不化的黄维，总前委领导下定了坚决予以消灭的决心。
在一个傍晚时分，落日的余辉刚刚消退，天空中亮出几颗寒星，几辆吉普车从小李庄出发，直奔双堆集方向。坐在车上的，就是刘伯承、邓小平、陈毅等总前委的领导人。他们在指挥部研究完南线阻击李延年、刘汝明的计划后，又赶赴双堆集前线，了解各纵队的进展情况并视察战场，定下总攻双堆集的计划。
沿途，他们看到，到处都是火光，这些火光是支前的人民手中的火把。成千上万的担架、大车、小车、担子和驮马从四面八方赶来，火光、人流、车流把这寒冷的冬天渲染得热火朝天。
看到这场面，三人激动不已。三人最先来到第1 纵队杨勇、苏振华的指挥部。“怎么样，看你们的眼睛都红了，几夜没有睡觉了吧？”邓小平关怀地说。
身材修长的杨勇不好意思地摸摸头说：“几天不睡觉算不了什么，仗打不好可不好受。”
“怎么，遇到难啃的骨头了？”刘伯承问道。
“没什么，虽说黄维的18军难打，但还是对付不了我们的夜猫子。白天他们打，夜里我们打，打得他日夜不得安宁。不过，敌人也很顽固，一个阵地，夜里我们夺过来，白天他们又夺回去，这样来回拉锯，双方都有很大的损耗。”
“这样拼下去，虽然疲惫了敌人，但也消耗了自己，不合算，我们得改进方法。”邓小平说。
“嗯，我看也得改进打法。”陈毅赞同地说。
“从各个纵队的作战情况看，我们的战士作战勇敢，不怕牺牲，斗志高昂，但是我们的火力不如敌人，在双堆集前沿1000米有一个开阔地，这是我们进攻的最大障碍，我们得先让突击部队好好地休息一下，养精蓄锐，不能这样再进行拉锯战。我们要组织部队进行逼近敌人的作业，把冲击地域尽量向前推，接近敌军的阵地。在我们发动总攻时，能一举突破敌军的阵地，达到进攻的效果。”刘伯承提出意见。
“对！这样才能扬己之长，击敌之短。”邓小平赞同地说，“我们立即通知其他各纵队都采取这种作战方法，争取在总攻时，能一举突破敌军的阵地。”
12月14日晚，总前委命令各纵对黄维兵团发起最后的总攻。以南集团为主，在东西两集团配合下，攻击双堆集核心阵地，中野第6 纵队和华野第7 纵队各一部攻克双堆集机场南端阵地，中野第4 、9 纵队攻克双堆集东和东北面两个村庄，华野第7 纵队主力攻克双堆集南制高点尖谷堆阵地。至此，双堆集和黄维兵团部核心阵地全部暴露并陷于孤立。
黄维预感自己末日已到，决定立即突围，以求侥幸保存一部分力量，他要求空军立即实施原定的支援掩护计划。黄维。胡琏把各军的军长、师长召集在一起，传达了“四面开弓，全线出击，觅缝钻隙，冲出重围”的突围计划，并决定在当晚黄昏后行动。
黄维的突围计划报到蒋介石那里，蒋认为第12兵团夜间突围，地面部队将会失去空中掩护，突围成功的希望不大。于是，他立即派空军副总司令王叔铭乘飞机赶到双堆集制止黄维。
15日上午，空军副总司令王叔铭飞抵黄维兵团上空，通知黄维：空军不能照计划实施。
“将在外，君命有所不受。按既定方案突围！”一生治军严谨、从不违抗上级命令的黄维，第一次违命了。逃命要紧，驱使他第一次也是最后一次违背蒋介石的命令。无奈，黄维只好自己断然处置了。他决定当日黄昏突围。黄维的突围命令一下达，各部即争先恐后逃命。
就在各部准备突围时，黄维、胡琏怕坐战车夜间行动得不到空军的支持，于是，他们在下午4 点多钟就命令第11师和仅有6 辆坦克的战车部队进行突围。黄维、胡琏分乘两辆坦克，跟在后面往外冲。
黄维、胡琏的提前行动，根本就没有通知各部，结果在各部突围之前，就暴露了企图。
解放军对黄维的突围早就作了“预算”，拟定了围歼计划。一经发现黄维突围，立即调动部队实行堵击、追击。
面对气势汹汹的敌军坦克，解放军战士在堑壕中，沉着应战，放过坦克，专打跟随其后的步兵。在解放军的猛烈轰击下，冲在前面的一辆坦克慌不择路，开人双堆集西边的河中，陷入泥潭，剩下的几辆坦克四处乱窜。
经过一夜的猛冲，黄维也未能冲击我军的包围圈。第二天天刚亮，蒋介石派出的20余架飞机飞临双堆集上空，向我军阵地上丢下成串的炸弹。
在炸弹的爆炸声中，黄维带着敌人成批再次往外猛冲。
然而，无论敌军飞机怎样猖狂，敌人的坦克是怎样凶猛，我军将士从一个弹坑跳到另一个弹坑，接近敌人的坦克，用成捆的手榴弹塞进敌人坦克的履带中。就这样，又有两辆敌军的坦克被炸得趴下了。跟在后面的两辆坦克见势不妙，开足马力向南面冲去。
这两辆坦克碾过人群，冲过堑壕，逃出了战场，直向蚌埠方向逃去。这两辆坦克上坐着的不是别人，正是黄维和胡琏。
黄、胡二人分乘的坦克，丢下残部，好不容易才从硝烟弥漫的战场上逃脱。
胡琏的坦克沿着通往蚌埠的大道，往南逃窜。忽然迎面来了一支民兵队伍，胡琏的心一下子提上了嗓子眼，谁知这些民兵还以为是解放军坦克，竟两边公开为坦克让道。
胡琏见此情景，立即催促驾驶员说：“快！快！此处共军还不晓得战场真实情况大胆开！于是，坦克呼啸而过。这以后，胡琏的坦克再也不敢走公路了，只从田野中抄取捷径，直奔蚌埠。临近中午，坦克没有油了，两个驾驶员只好扶着胡琏逃回蚌埠。
与胡琏相比，黄维的情况就糟多了。坦克刚走不远，坦克的发动机就坏了，黄维不得不打开坦克的顶盖，爬下坦克。就在这时，追踪而来的我军战士也赶到了。黄维吓得什么也顾不上了，一头钻进了一片麦地。追赶来的我军某部特务营的战士在麦田里展开了搜索，战士傻小六、范介明终于在一个拐角发现了趴在地上的黄维。
傻小六、范介明端着枪冲了上去，高喊道：“不许动，干什么的？”
黄维结结巴巴地说：“我是14军军部上尉司书。”
于是，这两个战士将黄维带到了俘虏收容所。不过，狡猾的黄维还是很快被识破了身份。收容所的同志对他进行审问，问他是哪年人伍的，黄维迟疑了半天答不上，这引起了收容所同志的怀疑。
当问到“上尉司书”每月的薪水时，黄维慌乱地说“70多元”，到底对几元，他回答不上。
收容所的同志又找来第14军军部的几个俘虏，让黄维来认，他一个也认不出来。
就在这时，一个在宿县新解放过来的战士李永志走了进来，一见黄维就说：“他就是黄维。”原来这位新战士以前当过黄维的马夫。
黄维知道再也瞒不过，只得承认道：“我是黄维。”
不可一世的国民党军第12兵团司令黄维就这样成了我军的俘虏。
就在黄维被俘之前，第12兵团第18军军长杨伯涛、兵团副司令兼第85军军长吴绍周也被俘。
激战到12月15日夜11时，黄维兵团被全歼，从而彻底孤立了杜聿明集团。
与此同时，华东野战军第6 纵队和随后加入战斗的中原野战军第2 纵队、华野渤海纵队第11师及豫皖苏军区三个军。豫西两个团，对由蚌埠向北增援黄维的李延年兵团，进行了顽强阻击。直至黄维兵团被全歼，李延年兵团在12天进攻中被杀伤1.3 万余人，且距黄维兵团还有30公里。